EP3852391A1 - Mems-lautsprecher mit erhöhter leistungsfähigkeit - Google Patents

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EP3852391A1
EP3852391A1 EP20168836.3A EP20168836A EP3852391A1 EP 3852391 A1 EP3852391 A1 EP 3852391A1 EP 20168836 A EP20168836 A EP 20168836A EP 3852391 A1 EP3852391 A1 EP 3852391A1
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EP
European Patent Office
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layer
membrane
mems
vertical sections
electrode
Prior art date
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EP20168836.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3852391B1 (de
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Alfons Dehé
Achim Bittner
Lenny Castellanos
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Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Original Assignee
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
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Publication date
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Priority to CN202180016496.XA priority patent/CN115280797A/zh
Priority to PCT/EP2021/050766 priority patent/WO2021144400A1/de
Priority to KR1020227027423A priority patent/KR20220130720A/ko
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    • H04R17/005—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers using a piezoelectric polymer
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    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
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    • H04R7/122—Non-planar diaphragms or cones comprising a plurality of sections or layers
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    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the invention relates to a MEMS transducer which comprises an oscillatable membrane for generating or absorbing pressure waves of a fluid in a vertical direction, the oscillatable membrane being held by a carrier and the oscillatable membrane having two or more vertical sections which are parallel to the vertical Direction are formed and comprise at least one layer of an actuator material.
  • the vibratable membrane is preferably in contact with an electrode at the end, so that the two or more vertical sections can be excited to horizontal vibrations by controlling the at least one electrode or so that when the two or more vertical sections are excited to horizontal vibrations at the at least one electrode electrical signal can be generated.
  • microsystems For the production of compact, mechanical-electronic devices, microsystem technology is used in many fields of application today.
  • the microsystems microelectromechanical system, abbreviated to MEMS
  • MEMS microelectromechanical system
  • MEMS converters such as MEMS loudspeakers or MEMS microphones are also known from the prior art.
  • Current MEMS loudspeakers are mostly designed as planar membrane systems with a vertical actuation of a vibratable membrane in the direction of emission. The excitation takes place, for example, by means of piezoelectric, electromagnetic or electrostatic actuators.
  • a MEMS electromagnetic speaker for mobile devices is described in Shahosseini et al. Described in 2015.
  • the MEMS loudspeaker has a stiffening silicon microstructure as a sound emitter, with the movable part being suspended from a carrier via silicon mainsprings in order to enable large displacements out of the plane by means of an electromagnetic motor.
  • the vibration diaphragm is not designed to be closed, but rather includes eight piezoelectric unimorph actuators, each of which consists of a piezoelectric and a passive layer.
  • the outer woofers consist of four trapezoidal actuators clamped on one side, while the inner tweeters are formed by four triangular actuators, which are connected to a rigid frame by means of a spring. The separation of the membrane should allow an improved sound image with higher power.
  • a disadvantage of such planar MEMS loudspeakers is their limitation with regard to the sound power, in particular at low frequencies.
  • One reason for this is that the sound pressure level that can be generated is proportional to the square of the frequency for a given deflection.
  • deflections for the vibration diaphragms of at least 100 ⁇ m or large-area diaphragms in the square centimeter range are necessary. Both conditions are difficult to implement using MEMS technology.
  • a MEMS loudspeaker based on this principle is used, for example, in the US 2018/0179048 A1 and Kaiser et al. 2019 disclosed.
  • the MEMS loudspeaker comprises a plurality of electrostatic bending actuators, which are arranged between a top and bottom wafer as vertical lamellas and can be excited to lateral vibrations by appropriate control.
  • an inner lamella forms an actuator electrode opposite two outer lamellae.
  • a connection node between the electrodes which are still galvanically separated, there is an air gap between the three curved lamellae. If there is a potential inside against outside, this leads to a mutual attraction due to the curvature of the design in the direction of a preferred direction, which is specified by an anchor.
  • the bulges of the outer lamellae are used for mobility.
  • the restoring force is given by a mechanical spring force. A pull-push operation is therefore not possible.
  • Another disadvantage is that gaps between the bending actuators and the top / bottom wafers, which are necessary for their mobility, lead to ventilation between the two chambers. This limits the lower limit frequency. Furthermore, the lateral movement of the bending actuators and therefore the sound power are restricted in order to avoid a pull-in effect and acoustic breakdown.
  • the device comprises a front and rear chamber and a plurality of valves, the front and rear chambers being separated from one another by means of a folded membrane.
  • the folded membrane has a rectangular meandering structure with horizontal and vertical sections in cross section. Piezo actuators are positioned on the respective horizontal sections in order to bring about a lateral movement of the vertical sections by synchronized expansion or compression of the horizontal sections.
  • the object of the invention is to provide a MEMS converter, in particular a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, and a method for producing the MEMS converter, which do not have the disadvantages of the prior art.
  • the vibrating membrane itself does not have to be operated over a large area of several square centimeters or with a deflection of more than 100 ⁇ m in order to generate sufficient sound pressure. Instead, the majority of the vertical sections of the vibratable membrane can move an increased total volume in the vertical emission direction with small horizontal or lateral movements of a few micrometers.
  • the claimed MEMS loudspeaker is characterized by a simplified structure, control and manufacturing process.
  • the vertical sections of the oscillatable membrane can instead be obtained in MEMS design by means of simple manufacturing steps, as explained in detail below.
  • the actuator principle according to the invention avoids pull-in or sticking of the vertical sections.
  • no potential differences are obtained in a gap between the vertical sections due to the one-sided electrodes.
  • this can also reduce the accumulation of dust, since, for example, an external electrode can be connected to a ground potential.
  • MEMS loudspeaker Another particular advantage of the MEMS loudspeaker described is the simplified control. While in the US 2019/011 64 17 A1 a plurality of piezoelectric actuators must be contacted on the horizontal sections, the proposed MEMS loudspeaker can be operated by means of at least one end electrode. This reduces the manufacturing effort, minimizes sources of error and also inherently leads to a synchronous control of the vertical sections to horizontal oscillations.
  • a “MEMS loudspeaker” preferably denotes a loudspeaker which is based on MEMS technology and whose sound-generating structures are at least partially dimensioned in the micrometer range (1 ⁇ m to 1000 ⁇ m).
  • the vertical sections of the vibratable membrane can preferably have a dimension in the range of less than 1000 ⁇ m in width, height and / or thickness. It can also be preferred here that, for example, only the height of the vertical sections are dimensioned in the micrometer range, while, for example, the length can have a larger dimension and / or the thickness can have a smaller size.
  • the design of the vibratory membrane can advantageously not only be used to form a MEMS loudspeaker with high sound power and simplified control. It is also possible, for example, to provide a particularly powerful MEMS microphone with high audio quality.
  • the structure of the MEMS microphone is structurally similar to that of the MEMS loudspeaker, particularly with regard to the design of the vibratable membrane.
  • the MEMS microphone is designed to pick up sound pressure waves in the same vertical direction.
  • there are preferably air volumes between the vertical sections which are moved along a vertical detection direction when sound waves are picked up.
  • the vertical sections are excited to vibrate horizontally by the sound pressure waves, so that the actuator material generates a corresponding periodic electrical signal.
  • a “MEMS microphone” preferably denotes a microphone which is based on MEMS technology and whose sound-picking structures are at least partially dimensioned in the micrometer range (1 ⁇ m to 1000 ⁇ m).
  • the vertical sections of the vibratable membrane can preferably have a dimension in the range of less than 1000 ⁇ m in width, height and / or thickness. It can also be preferred here that, for example, only the height of the vertical sections are dimensioned in the micrometer range, while, for example, the length can have a larger dimension and / or the thickness can have a smaller size.
  • MEMS converter is therefore to be understood as meaning both a MEMS microphone and a MEMS loudspeaker.
  • the MEMS converter refers to a converter for interaction with a volume flow of a fluid, which is based on MEMS technology and whose structures for interaction with the volume flow or for absorbing or generating pressure waves of the fluid are dimensioned in the micrometer range (1 ⁇ m to 1000 ⁇ m ) exhibit.
  • the fluid can be either a gaseous or a liquid fluid.
  • the structures of the MEMS transducer, in particular the vibratory membrane, are designed to generate or absorb pressure waves from the fluid.
  • MEMS loudspeaker or MEMS microphone they can be sound pressure waves.
  • the MEMS converter can, however, also be suitable as an actuator or sensor for other pressure waves.
  • the MEMS converter is therefore preferably a device that converts pressure waves (e.g. acoustic signals as sound pressure) into electrical signals or vice versa (conversion of electrical signals into pressure waves, e.g. acoustic signals).
  • the MEMS converter can also be used as an energy harvester, using alternating pneumatic or hydraulic pressures.
  • the electrical signal can be dissipated as generated electrical energy, stored or fed to other (consumer) devices.
  • Electrode preferably means an area made of a conductive material (preferably a metal), which is set up for such contact with electronics, e.g. a current and / or voltage source in the case of a MEMS loudspeaker. It can preferably be an electrode pad.
  • the electrode pad is particularly preferably used to make contact with electronics and is itself connected to a conductive metal layer which can extend over the entire surface of the vibratory membrane.
  • the conductive layer is sometimes referred to together with an electrode pad as an electrode, for example as a top electrode or bottom electrode.
  • the MEMS transducer comprises two electrodes at the end.
  • the contact with electronics e.g. a current or voltage source
  • the end-side provision of the electrodes is thus preferably distinguished from a contact which controls the respective vertical sections with respective separate electrodes or, in the case of a MEMS microphone, picks up electrical signals generated.
  • the MEMS converter thus preferably comprises exactly one or exactly two electrodes for contacting the end and no further electrodes (pads) for contacting central vertical sections.
  • the layer made of an actuator material in the vertical sections is preferably used as part of a mechanical biomorph, with a lateral curvature of the vertical sections being caused by controlling the actuator layer via the electrode or a corresponding electrical signal being generated by an induced lateral curvature.
  • the two or more vertical sections have at least two layers, one layer comprising an actuator material and a second layer comprising a mechanical support material and at least the layer comprising the actuator material and being in contact with an end electrode, so that the horizontal vibrations are caused a change in shape of the actuator material compared to the mechanical support material can be generated.
  • the mechanical bimorph is formed by a layer of actuator material (e.g. a piezoelectric material) and a passive layer which functions as a mechanical support layer. Both a transverse and a longitudinal piezo effect can be used for the bending.
  • a push-pull operation can preferably take place by changing polarity on the electrodes, whereby almost the entire volume of air between the vertical sections can alternately be moved in the vertical emission direction.
  • the advantage of the actuator principle is therefore a highly efficient translation of the horizontal vibrations of vertical sections into a vertical volume movement or sound generation.
  • the actuator principle is not based on electrostatic attraction, but on a relative change in shape (e.g. compression, stretching, shear) of the actuator layer in relation to a support layer, sticking of the membrane sections can be excluded. Instead, the vertical sections can finally touch and are therefore not restricted in their deflection.
  • the two or more vertical sections comprise at least two layers, both layers comprising an actuator material and being in contact with electrodes at each end and the horizontal vibrations being able to be generated by changing the shape of one layer compared to the other layer.
  • the horizontal oscillation of the vertical sections is therefore not generated by a stress gradient between an active actuator layer and a passive support layer, but rather by a relative change in shape of two active actuator layers.
  • the actuator layers can consist of the same actuator material and can be controlled differently.
  • the actuator layers can also consist of different actuator materials, for example of piezoelectric materials with different deformation coefficients.
  • the “layer comprising an actuator material” is preferably also referred to as an actuator layer.
  • An actuator material preferably means a material which, when an electrical voltage is applied, changes its shape, for example an expansion, Undergoes compression or shear or, conversely, generates an electrical voltage with a change in shape.
  • the actuator material can preferably be a piezoelectric material, a polymer piezoelectrical material and / or electroactive polymers (EAP).
  • EAP electroactive polymers
  • the piezoelectric material is particularly preferably selected from a group comprising lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AlN) and zinc oxide (ZnO).
  • PZT lead zirconate titanate
  • AlN aluminum nitride
  • ZnO zinc oxide
  • the polymer piezoelectric materials preferably include polymers which have internal dipoles and thus piezoelectric properties. This means that when an external electrical voltage is applied, the piezoelectric polymer materials (analogous to the aforementioned classic piezoelectric materials) experience a change in shape (e.g. compression, stretching or shear).
  • An example of a preferred piezoelectric polymer material is polyvinylidene fluoride.
  • a polymer piezoelectrical material layer is applied to a mechanical support layer and is wound over an upper and lower comb.
  • a polymer piezoelectrical material layer (including electrode) is preferably first provided on a support layer (possibly including a counter electrode). Subsequently, an upper and a lower comb (preferably a MEMS structure) are moved against one another in such a way that a folded membrane with actuatable vertical sections is created.
  • the “layer comprising a mechanical support material” is preferably also referred to as a support layer or support layer.
  • the mechanical support material or the support layer preferably serves as a passive layer which can withstand a change in shape of the actuator layer.
  • the mechanical support material preferably does not change its shape when an electrical voltage is applied.
  • the mechanical support material is preferably electrically conductive, so that it can also be used directly for contacting the actuator layer. However, in some embodiments it can also be non-conductive and, for example, be coated with an electrically conductive layer.
  • the mechanical support material is particularly preferably monocrystalline silicon, a polysilicon or a doped polysilicon.
  • the actuator position undergoes a change in shape when an electrical voltage is applied, the position of the mechanical support material remains essentially unchanged.
  • the resulting stress gradient between the two layers preferably causes a horizontal curvature.
  • the thickness of the support layer in comparison to the thickness of the actuator layer should preferably be selected so that a sufficiently large stress gradient is generated for the curvature.
  • a thickness of essentially the same size preferably between 0.5 ⁇ m and 2 ⁇ m, has proven to be particularly suitable.
  • the piezoelectric material can preferably have a C-axis orientation perpendicular to the surface of the vertical sections, so that a transverse piezoelectric effect is used.
  • Other orientations and, for example, the use of a longitudinal piezoelectric effect to form the horizontal arches or vibrations (cf. Fig. 1 ) can be preferred.
  • the vibratory membrane therefore comprises at least one layer made of a conductive material.
  • the conductive material is selected from a group comprising platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon, molybdenum, titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite and copper.
  • the directional information vertical and horizontal (or lateral) preferably relate to a preferred direction in which the oscillatable membrane is oriented for generating or absorbing pressure waves of the fluid.
  • the vibratory membrane is preferably suspended horizontally between at least two side regions of a carrier, while the vertical direction (direction of interaction with the fluid) for generating or absorbing pressure waves is orthogonal thereto.
  • the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound emission direction of the MEMS loudspeaker.
  • vertical preferably means the direction of the sound emission
  • horizontal means a direction orthogonal to it.
  • the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound detection direction of the MEMS microphone.
  • vertical preferably means the direction of sound detection or recording, while horizontal means a direction orthogonal thereto.
  • the vertical sections of the vibratable membrane thus preferably designate sections of the vibratable membrane which are aligned in the emission direction of a MEMS loudspeaker or the detection direction of a MEMS microphone.
  • the vibratable membrane is preferably oriented horizontally to the direction of sound emission or sound detection, the sound waves are generated by actuation of the vertical sections or vice versa.
  • the carrier comprises two side areas between which the vibratable membrane is arranged in the horizontal direction.
  • the carrier is preferably a frame structure which is essentially formed by a continuous outer border in the form of side walls of a flat area that remains free.
  • the frame structure is preferably stable and rigid.
  • the individual side regions which preferably essentially form the frame structure, are called in particular side walls.
  • the oscillatable membrane is preferably held by at least two side walls of the carrier.
  • the two side walls can be seen in cross-section.
  • the carrier preferably comprises four side areas, with additional end faces, as a rule parallel to the cross-section shown. These other two side walls span the frame structure.
  • the oscillatable membrane is preferably hung flat within the area that remains free.
  • the areal expansion of the vibrating membrane characterizes a horizontal direction, while the vertical sections are orthogonal to it.
  • the membrane With regard to the end faces, the membrane can be adhered to these side walls or be slotted there for the purpose of greater mobility.
  • the slot can advantageously represent a dynamic high-pass filter which, for example, couples a front volume and a rear volume to one another.
  • the carrier is formed from a substrate, preferably selected from the group consisting of monocrystalline silicon, polysilicon, silicon dioxide, silicon carbide, silicon germanium, silicon nitride, nitride, germanium, carbon, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide and glass.
  • the carrier structure can be manufactured flexibly due to the materials and / or manufacturing methods.
  • the MEMS transducer comprising an oscillatable membrane together with a carrier in a (semiconductor) process, preferably on a wafer. This further simplifies and makes production cheaper, so that a compact and robust MEMS converter can be provided at low cost.
  • the vibratory membrane is formed by a lamellar structure or a meandering structure.
  • the specification of a lamellar or meandering structure preferably relates to the shape of the oscillatable membrane in cross section.
  • a lamellar structure preferably denotes an arrangement of similar, parallel layers, which preferably form the vertical sections.
  • the individual lamellae are preferably with their surface parallel to the vertical direction, preferably an emission or Direction of detection aligned.
  • the lamellae are preferably constructed in several layers and form a mechanical biomorph.
  • the slats can each include an actuator layer and a passive layer made of a support material and / or two differently controllable actuator layers.
  • the lamellae are flat, which means in particular that their extension in each of the two dimensions (height, width) of their area is greater than in a dimension perpendicular thereto (the thickness).
  • size ratios of at least 2: 1, preferably at least 5: 1, 10: 1 or more can be preferred.
  • the oscillatable membrane preferably has a multiplicity of lamellae which form the vertical sections. For example, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 or more slats may be preferred. This results in a high degree of efficiency for a desired sound emission or sound detection in a very small space.
  • the vibratory membrane is preferably formed by the lamellae as vertical sections, which are connected to one another via conductive bridges or horizontal sections.
  • Metal bridges for example, are suitable as bridges (cf. Fig. 9 ) or bridges made of other conductive materials.
  • the conductive bridges ensure the mechanical integrity of the vibrating membrane.
  • the conductive bridges advantageously allow contact to be made with all of the lamellae by means of electrodes at the end.
  • the lamellas can be excited synchronously with horizontal vibrations or detect the same with little control and manufacturing effort.
  • a meandering structure preferably denotes a structure formed from a sequence of mutually orthogonal sections in cross section.
  • the mutually orthogonal sections are preferably vertical and horizontal sections of the oscillatable membrane.
  • the meandering structure is particularly preferably rectangular in cross section.
  • the meander structure thus preferably corresponds to a membrane folded along its width.
  • an oscillatable membrane can therefore preferably also be referred to as a bellows.
  • the parallel folds of the bellows preferably form the vertical sections.
  • the connecting sections between the folds preferably form the horizontal sections.
  • the vertical sections are preferably longer than the horizontal sections, for example by a factor of 1.5, 2, 3, 4 or more.
  • the vertical sections are decisive, analogously to the lamellae described above.
  • the vertical sections are preferably constructed in several layers and form a mechanical biomorph.
  • the vertical sections can each include an actuator layer and a passive layer made of a support material and / or two differently controllable actuator layers.
  • the horizontal sections of the folded membrane can preferably be constructed identically to the vertical sections (cf. inter alia Fig. 3-7 ). However, it can also be preferred that the horizontal sections - in contrast to the vertical sections - do not have an actuator layer, but only a mechanical support layer and / or an electrically conductive layer.
  • the at least one layer made of an actuator material of the vibratable membrane is a continuous layer.
  • Continuous preferably means that there are no interruptions in the cross-sectional profile. Accordingly, in the embodiment mentioned, it is preferred that there is a continuous layer of actuator material in both the vertical and horizontal sections.
  • a continuous layer is particularly easy to manufacture and ensures synchronous actuation when operating a MEMS loudspeaker.
  • the performance of the MEMS converter in particular a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be determined essentially by the number and / or dimensioning of the vertical sections.
  • the vibratable membrane comprises more than 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 or more vertical sections.
  • the vibratable membrane comprises fewer than 10,000, 5,000, 2,000 or 1,000 or fewer vertical sections.
  • the preferred number of vertical sections leads to high sound power on the smallest chip surfaces without the sound image or audio quality suffering.
  • the vertical sections are preferably flat, which means in particular that their extension in each of the two dimensions (height, width) of their area is greater than in a dimension perpendicular thereto (the thickness).
  • size ratios of at least 2: 1, preferably at least 5: 1, 10: 1 or more can be preferred.
  • the height of the vertical sections preferably corresponds to the dimension along the direction of the sound emission or sound detection, while the thickness of the vertical sections preferably corresponds to the sum of the layer thickness of the one or more layers that form the vertical sections.
  • the length of the vertical sections preferably corresponds to a dimension orthogonal to the height or thickness. In the cross-sectional views of the figures below, the height and thickness are shown schematically (not necessarily true to scale), while the dimension of the length corresponds to a (not visible) drawing depth of the figures.
  • the height of the vertical sections is between 1 ⁇ m and 1000 ⁇ m, preferably between 10 ⁇ m and 500 ⁇ m. Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, such as, for example, 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, 50 ⁇ m to 100 ⁇ m, 100 ⁇ m to 200 ⁇ m, 200 ⁇ m to 300 ⁇ m, 300 ⁇ m to 400 ⁇ m, 400 ⁇ m to 500 ⁇ m ⁇ m, 600 ⁇ m to 700 ⁇ m, 700 ⁇ m to 800 ⁇ m, 800 ⁇ m to 900 ⁇ m or 900 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 10 ⁇ m to 200 ⁇ m, 50 ⁇ m to 300 ⁇ m or even 100 ⁇ m to 600 ⁇ m.
  • the thickness of the vertical sections is between 100 nm and 10 ⁇ m, preferably between 500 nm and 5 ⁇ m. Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, such as 100 nm to 500 nm, 500 nm, for example up to 1 ⁇ m, 1 ⁇ m to 1.5 ⁇ m, 1.5 ⁇ m to 2 ⁇ m, 2 ⁇ m to 3 ⁇ m, 3 ⁇ m to 4 ⁇ m, 4 ⁇ m to 5 ⁇ m, 5 ⁇ m to 6 ⁇ m, 6 ⁇ m to 7 ⁇ m, 7 ⁇ m to 8 ⁇ m, 8 ⁇ m to 9 ⁇ m or 9 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 500 nm to 3 ⁇ m, 1 ⁇ m to 5 ⁇ m or also 1500 nm to 6 ⁇ m.
  • the length of the vertical sections is between 10 ⁇ m and 10 mm, preferably between 100 ⁇ m and 1 mm.
  • Intermediate areas from the aforementioned ranges can also be preferred, such as, for example, 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, 100 ⁇ m to 200 ⁇ m, 200 ⁇ m to 300 ⁇ m, 300 ⁇ m to 400 ⁇ m, 400 ⁇ m to 500 ⁇ m, 500 ⁇ m to 1000 ⁇ m, 1 mm to 2 mm, 3 mm to 4 mm, 4 mm to 5 mm, 5 mm to 8 mm or also 8 mm to 10 mm.
  • the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, 500 ⁇ m to 5 ⁇ m or also 1 mm to 5 mm.
  • a particularly compact MEMS transducer in particular MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be provided which at the same time combines high performance with excellent sound image or audio quality.
  • the oscillatable membrane is formed by a meandering structure with alternating vertical and horizontal sections, with holding structures attached to at least two of the horizontal sections, which are connected directly or indirectly to the carrier.
  • the holding structures can be provided, for example, by the substrate material of the carrier, ie the holding structures can be formed directly from the substrate of a bottom wafer .
  • the holding structures it is also possible for the holding structures to be connected to the horizontal sections as separate ridges or elevations of a top wafer.
  • the holding structures can preferably be present on one and / or two sides of the oscillatable membrane, i.e. preferably attached to upper and / or lower horizontal sections.
  • the use of holding structures advantageously allows stabilization without negatively affecting the generation or absorption of sound.
  • Various layers can be provided for the construction of the vibratable membrane in order to ensure the described actuation and excitation of horizontal vibrations or their detection.
  • the vibratory membrane therefore comprises at least one layer made of a conductive material.
  • the conductive material is selected from a group comprising platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon, molybdenum, titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite and copper.
  • the vibratory membrane comprises three layers, an upper layer being formed from a conductive material and connected to an upper electrode, a middle layer being formed from the actuator material and a lower layer being formed from a conductive material.
  • the conductive material of the upper and / or lower layer can preferably be a mechanical support material, so that this layer has a double function.
  • the location ensures that the actuator layer is contacted with an electrical potential that can be applied to the electrodes at the end.
  • it functions as a mechanical support layer in the manner described for generating horizontal curvatures or vibrations when the actuator position is actuated accordingly.
  • the vibratory membrane has a meandering structure with a continuous upper layer made of a conductive material (metal), a continuous middle layer made of an actuator material and a lower layer made of a conductive mechanical support material.
  • a reverse sequence of the layers or a further additional conductive layer in contact with the mechanical support layer and / or actuator layer for improved contacting can also be provided.
  • the vibratory membrane comprises two layers made of an actuator material, which are separated by a middle layer made of a conductive material, preferably metal, the middle layer being connected to a first electrode and at least one of the two layers made of an actuator material be in contact with a second electrode via a further layer made of a conductive material, preferably a metal.
  • two actuator positions can also be used in order, for example, to set the vertical sections into horizontal oscillations by means of different actuation.
  • two or more intermediate layers made of a conductive material can preferably be provided.
  • the layers made of conductive material for example made of a metal, in this case preferably serve exclusively for contacting and not as a mechanical support layer.
  • the voltage required in the sense of a bimorph for a MEMS loudspeaker for bulging or oscillation is induced by a different control of the actuator positions themselves.
  • the layers made of a conductive material, such as metal, for example, can therefore be made particularly thin (less than 500 nm, preferably less than 200 nm).
  • FIG. 5 such a preferred embodiment is shown by way of example.
  • This has an oscillatable membrane as a meandering structure with two layers made of an actuator material, which are separated by a middle layer made of a conductive material (metal).
  • the middle layer is connected to a first electrode pad at the end, while the upper actuator layer is in contact with a second electrode at the end via a further layer made of a conductive material.
  • a lower layer made of a conductive material is not in contact with any of the electrodes.
  • a reverse order of the layers or a waiver of the lower layer made of conductive material, which is in no contact with the electrodes, can also be provided.
  • the actuator layer (s) and possibly the mechanical support layers are continuous, ie in cross section from one end of the membrane (at which a first electrode is preferably present) over several alternating horizontal and vertical sections, up to a second end of the membrane (at which preferably a second electrode is present).
  • the inventors recognized that providing a mechanical biomorph in the vertical sections is sufficient for the operating principle of the MEMS transducer, preferably a MEMS loudspeaker.
  • the at least one actuator layer is not continuous, but is only present in the vertical sections, but not in the horizontal sections.
  • any mechanical support layer that may be present runs continuously or that it does not run continuously and is only provided in vertical sections, for example.
  • FIG Figure 7 A preferred manufacturing method for an embodiment with a discontinuous actuator layer is shown in FIG Figure 7 illustrated.
  • a targeted spacer etching of the actuator layer can take place in horizontal sections, so that only the vertical sections of the membrane still have a layer made of an actuator material.
  • a continuous layer made of a mechanical support material can at the same time be dielectric in order to avoid a short circuit between an upper and lower conductive layer (also referred to as top and bottom electrodes).
  • the embodiment is characterized by a particularly effective actuation and high power performance, in which only the vertical sections are specifically stimulated to alternate arching or swinging, while the horizontal sections remain mechanically neutral.
  • the displaced volume can advantageously be increased again per phase of the actuation.
  • an oscillatable membrane in a meandering shape is preferably obtained by applying or etching correspondingly functional layers.
  • a vibratory membrane can also be produced by providing vertical sections and connecting them by means of metal bridges.
  • the vertical sections of the vibratable membrane comprise two layers, a first layer consisting of an actuator material, a second layer consisting of a conductive support material, and the vertical sections being connected via horizontal metal bridges.
  • a plurality of individual piezoceramic elements comprising a layer made of a mechanical support material and a layer made of a piezoelectric material, as well as a sacrificial layer, can preferably be provided for this purpose.
  • a membrane with a high degree of efficiency can advantageously be obtained in a robust and process-efficient manner through several method steps comprising a through-hole plating and metal filling as well as stacking and dicing of the piezoceramic elements.
  • a continuous, homogeneous conductive layer is not necessary. Instead, the contacting of the actuator layer in the vertical sections is ensured by the metal bridges and a conductive mechanical support material.
  • the vibratable membrane is coated with a layer made of a non-stick material.
  • non-stick materials are meant, in particular, materials with low surface energies, which are largely inert to the environment and thus avoid the deposition of dust or other undesirable particles.
  • the non-stick materials can be formed by carbon layers, e.g. diamond-like carbon (DLC) layers or also layers comprising perfluorocarbons (PFC), such as polytetrafluoroethylene (PTFT).
  • DLC diamond-like carbon
  • PFC perfluorocarbons
  • PTFT polytetrafluoroethylene
  • the MEMS converter preferably a MEMS loudspeaker, comprises a control unit which is configured to control the at least one electrode so that the two or more vertical sections are excited to horizontal oscillations.
  • the control unit is preferably configured to control the electrodes, which ensures a frequency of the horizontal oscillations between 10 Hz and 20 kHz.
  • the MEMS converter preferably a MEMS microphone
  • the MEMS converter comprises a control unit which is configured to detect an electrical signal provided by the at least one electrode which was generated by horizontal oscillations of the two or more vertical sections.
  • the control unit of a MEMS microphone is preferably configured for picking up and processing an electrical signal which corresponds to a frequency of the horizontal oscillations between 10 Hz and 20 kHz and is therefore set up for sound detection in the audible range.
  • the control unit is therefore preferably configured and set up to control the vibratable membrane (or the actuator position (s) in the vertical sections) to horizontal vibrations and sound emission in the audible frequency range by means of electrical signals, or a corresponding electrical signal when the vibratable membrane is excited record and process.
  • control unit can preferably comprise a data processing unit.
  • a data processing unit preferably denotes a unit which is suitable and configured for receiving, sending, storing and / or processing data, preferably with a view to controlling the electrodes or receiving an electrical signal provided at the electrodes.
  • the data processing unit preferably comprises an integrated circuit, for example also an application-specific integrated circuit, a processor, a processor chip, microprocessor or microcontroller for processing data, and optionally a data memory, a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM) or a flash memory for storing the data.
  • control unit is integrated in addition to further components of the MEMS transducer (carrier, vibratable membrane) on a printed circuit board or printed circuit board.
  • MEMS transducer carrier, vibratable membrane
  • the MEMS converter is preferably seamlessly integrated with the electronics required for control or detection.
  • other electronic components such as a communication interface (preferably wireless, e.g. Bluetooth), an amplifier, a filter or a sensor system, can also be installed on one and the same printed circuit board.
  • a compact overall solution is advantageously obtained in which a MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be provided together with the desired electronics in a very small space and preferably with inexpensive CMOS processing suitable for mass production.
  • a MEMS converter preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone
  • the vibratable membrane held by the carrier is arranged in a front side of a housing which encloses a rear-side resonance volume.
  • the sound emission of such a MEMS loudspeaker therefore preferably takes place towards the open front side ( sound port ), the sound image being improved in particular for lower frequencies by the resonance volume on the back.
  • a ventilation opening in the housing to avoid acoustic short circuits and / or to support the sound image.
  • the ventilation opening is preferably small compared to the sound port and can, for example, have a maximum dimension of less than 100 ⁇ m, preferably less than 50 ⁇ m.
  • MEMS converter preferably MEMS loudspeaker or MEMS microphone
  • the production method described is preferably used to provide a MEMS transducer with a folded, oscillatable membrane with a meander structure. Examples of preferred manufacturing steps are given in Figures 2A-G or Figures 8A-J described.
  • a substrate for. B. one of the preferred materials mentioned above can be used.
  • a blank for example a wafer, can be brought into the desired basic shape of the meander structure.
  • the layers for the vibratable membrane are preferably applied.
  • Applying the at least one layer of a conductive material preferably also includes applying a plurality of layers and in particular a layer system in addition to applying one layer.
  • a layer system comprises at least two layers that are systematically applied to one another.
  • the application of a layer or a layer system preferably serves to define the vibratable membrane comprising vertical sections which can be excited to horizontal vibrations.
  • the application can preferably be selected from the group comprising physical vapor deposition (PVD), in particular thermal evaporation, laser beam evaporation, arc evaporation, molecular beam epitaxy, sputtering, chemical vapor deposition (CVD) and / or atomic layer deposition (ALD).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • the application for example, a deposition, z. B. in the case of a substrate made of polysilicon.
  • Etching and / or structuring can preferably be selected from the group comprising dry etching, wet chemical etching and / or plasma etching, in particular reactive ion etching, reactive ion deep etching (Bosch process).
  • suitable material such as. B. copper, gold and / or platinum can be deposited by common processes.
  • PVD Physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • electrochemical deposition can preferably be used for this purpose.
  • a finely structured vibratory membrane with a desired definition of vertical and horizontal sections can be provided, which are preferably suspended between two side areas of a stable carrier and have dimensions in the micrometer range.
  • the manufacturing steps are part of standard method steps in semiconductor processing, so that they have proven themselves and are also suitable for mass production.
  • the average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments of the described MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, also apply to the described manufacturing method.
  • the production method described is preferably used to provide a MEMS transducer with an oscillatable membrane with a lamellar structure, the lamellae being mechanical bimorphs and being connected by metal bridges. Examples of preferred manufacturing steps are shown in Fig. 9 AF illustrated.
  • piezoceramic elements can advantageously be used in order to obtain an oscillatable membrane with lamellae as vertical sections, which are connected to one another by metal bridges, by means of a definition of holes, metal filling and stacking and dicing.
  • Piezoceramics are preferably ceramic materials which, when deformed by an external force, show charge separation or undergo a change in shape when an electrical voltage is applied.
  • the piezoceramic elements preferably comprise a piezoelectric layer and a layer made of a mechanical support material, as described above, and also a sacrificial layer.
  • the sacrificial layer is used to process and provide the metal bridges and will not itself be part of the vibratory membrane.
  • the sacrificial layer can preferably be a photoresist or photoresist, for example. These materials change their solubility when exposed to light, especially UV light. In particular, it can be a so-called positive varnish, the solubility of which increases as a result of UV irradiation. In this way, the sacrificial layer can be removed in a targeted manner after a metal filling to provide the metal bridges.
  • Figure 1 illustrates a preferred embodiment of a MEMS loudspeaker according to the invention.
  • Fig 1A indicates a hibernation while Figure 1B illustrates two phases during the actuation of the MEMS loudspeaker.
  • the MEMS loudspeaker comprises an oscillatable membrane 1 for generating sound waves in a vertical emission direction, the oscillatable membrane 1 being held in a horizontal position by a support 4.
  • the oscillatable membrane 1 has a meandering structure in cross section with horizontal 3 and vertical sections 2.
  • the vertical sections are formed parallel to the emission direction and have at least one actuator layer, for example a layer made of a piezoelectric material.
  • the vibratable membrane 1 and the actuator layer are preferably contacted by means of electrodes at the end.
  • an electrode pad (not shown) can be located on the carrier 4, for example.
  • the vertical sections are preferably mechanical bimorphs, which can be excited to horizontal vibrations by suitable controls.
  • the vertical sections 2 can comprise, for example, a first layer made of an actuator material and a second layer made of a mechanical support material. By controlling the actuator position, a stress gradient and consequently a curvature or oscillation can be generated.
  • the vertical sections 2 comprise two actuator layers which are activated in opposite directions in order to bring about a curvature of the vertical sections 2 by means of a corresponding relative change in shape.
  • Figure 1B illustrates an example of two phases during an actuation.
  • an enlarged total volume can be moved in the vertical emission direction and thus used for generating sound.
  • the actuation allows a particularly efficient implementation, since during a phase almost the entire volume of air between the vertical sections can be moved up or down along the emission direction.
  • Figure 2 schematically shows a preferred manufacturing method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane 1 which has a meander shape in cross section.
  • a vibratory membrane with a meandering shape in cross section can also preferably be referred to as a folded membrane or bellows.
  • Figure 2A shows an etching of the substrate 8 from a top or front side to form a structure.
  • parallel deep trenches (pockets) are etched into the substrate 8.
  • the molded structure represents a bellows or a meander in cross section.
  • etch stop 9 ( Figure 2B ) applied, which can be, for example, TEOS or PECVD.
  • a layer of a mechanical support material 10 ( Figure 2C ) and a layer of an actuator material 11 applied.
  • the mechanical support material 10 can be doped polysilicon, for example, while a piezoelectric material can be used for the actuator material 10, for example. For example, 1 ⁇ m may be preferred as layer thicknesses.
  • the piezoelectric material can preferably have a C-axis orientation perpendicular to the surface, so that a transverse piezoelectric effect is used. Other orientations and, for example, the use of a longitudinal effect can also be preferred.
  • Figure 2E shows the preferred application of a full-area top electrode as a layer made of a conductive material 12. End-side contact can be made, for example, by means of an electrode pad 13 ( Fig. 2 F) .
  • Figures 2F and 2G illustrate a further etching of the substrate 8 from the rear side or underside, and the removal of the etch stop.
  • the manufacturing steps 2A-G thus obtain an oscillatable membrane 1 which has a meandering structure in cross section.
  • a continuous actuator layer 11 and the provision of end-side contacts 13 advantageously allow the vertical sections 2 to be efficiently actuated to produce horizontal vibrations (cf. Fig. 1 ).
  • the Aktuatorlage 12 is preferably both from a front side (top electrode, conductive layer 12) and from a rear side (bottom electrode on leiusuallyes mechanical support material 10) contacted (see FIG. Figure 6A ).
  • retaining structures 14 can be provided. As in the Figs. 3 and 4 As shown, these preferably horizontal sections 3 of the vibratable membrane 1 can support.
  • the horizontal sections 3 are advantageously mechanically neutral (cf. Fig 1B ), so that no undesired stresses are induced between membrane 1 and holding structure 14 or carrier 4 during the actuation.
  • Fig. 5 illustrates a preferred alternative embodiment of a MEMS loudspeaker, the vibratable membrane 1 comprising two actuator layers which are separated by a middle layer made of a conductive material 12, preferably metal.
  • the middle layer is connected to a first electrode pad 13 at the end, while in the embodiment shown the upper actuator layer 11 is present in contact with a second electrode pad 13 at the end via a further layer made of a conductive material 12.
  • Fig. 6 illustrates preferred controls for operating the described MEMS loudspeakers.
  • FIG 6A a preferred control for a MEMS loudspeaker with an actuator layer 11 and a passive mechanical support layer 10 is shown.
  • the control is preferably carried out by means of two electrode pads 13 at one end, so that the horizontal vibrations can be generated by changing the shape of the actuator material in relation to the mechanical support material.
  • the actuator layer 11 is preferably contacted both from a front side (top electrode 13, conductive layer 10) and from a rear side (bottom electrode 13, conductive mechanical support material 10).
  • An alternating voltage as an audio input signal can, for example, be applied to the front-side electrode pad 13 (left), while the rear-side electrode pad 13 (right) is grounded.
  • FIG 6B a preferred control for a MEMS loudspeaker with two actuator layers 11 is shown, which are separated by a middle layer made of a conductive material 12, preferably metal.
  • An upper actuator layer 11 is preferably controlled from a front side (top electrode 13 and upper conductive layer 12) and the middle conductive layer 12 .
  • a lower actuator layer 11 is preferably controlled from a rear side (bottom electrode 13 and lower conductive layer 12) and the middle conductive layer 12 .
  • an alternating voltage can be applied as an audio input signal, for example, to the one for the top and bottom electrode pads 13 (left), while the middle layer 12 is grounded via a further electrode pad 13 (right).
  • Fig. 7 shows an example of a preferred integration of a MEMS loudspeaker according to the invention in a housing 15.
  • the vibratable membrane 1 held by the carrier 4 is preferably arranged in a front side or front side of a housing ( sound port ).
  • the housing also encloses a rear resonance volume (back volume 16).
  • a ventilation opening 17 can be introduced to avoid acoustic short circuits or to support the sound image.
  • Fig. 8 illustrates an alternative production method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane 1 according to the invention
  • Figures 8A-D The process steps shown are analogous to Fig. 2 .
  • Figure 8A shows an etching of the substrate 8 from an upper or front side to form a structure, preferably a meander structure.
  • a structure preferably a meander structure.
  • parallel deep trenches are etched into the substrate 8.
  • the molded structure represents a bellows or a meander in cross section.
  • an etch stop 9 ( Figure 2B ) applied, which can be, for example, TEOS or PECVD.
  • a layer of a mechanical support material 10 ( Figure 2C ) and an actuator material 11 applied to the mechanical support material 10 can be doped polysilicon, for example, while a piezoelectric material is preferably used for the actuator material 12.
  • the actuator layer 11 is not contacted as a continuous layer with an upper conductive layer. Instead, a spacer etch takes place ( Figure 8F ) of the actuator layer 11 in the horizontal sections of the membrane, so that only the vertical sections of the membrane have a layer made of an actuator material 11 .
  • a continuous dielectric layer 18 is then preferably applied to avoid a short circuit between the upper and lower electrodes to be applied later ( Figure 8G ).
  • a continuous conductive layer as top electrode 12 allows front-side contact ( Figure 8H ).
  • Figures 8I and 8J illustrate a further etching of the substrate 8 from the rear side or underside and optionally the application of a continuous conductive layer 12 as a rear side electrode.
  • Fig. 9 illustrates a preferred manufacturing method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane based on individual piezoceramics.
  • piezoceramic elements 19 comprising a layer made of a mechanical support material 10 (eg doped polysilicon) and a layer made of a piezoelectric material 11 and a sacrificial layer 20 are provided (cf. Figures 9A and 9B ).
  • the sacrificial layer 20 can be, for example, a photoresist (photoresist).
  • the stacked piezoceramic elements 19 are introduced into a carrier 4, the first and last piezoceramic elements preferably being contacted with one electrode 13 each ( Figure 9G ).
  • an oscillatable membrane 1 is also obtained between a carrier 4 , which comprises at least two or more vertical sections 2 for generating sound waves in a vertical emission direction, which are formed parallel to the emission direction and can be excited to horizontal oscillations.
  • the actuator principle is preferably based on a relative change in shape of the actuator layer 11 compared to the mechanical support layer 10.
  • a continuous actuator layer is not necessary for this.
  • the metal bridges 23 ensure that all vertical sections 2 are contacted by end-side control.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen MEMS-Wandler, welcher eine schwingfähige Membran (1) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen eines Fluids in einer vertikalen Richtung umfasst, wobei die schwingfähige Membran (1) von einem Träger (4) gehalten wird und die schwingfähige Membran (1) zwei oder mehr vertikale Abschnitte (2) aufweist, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial (11) umfassen. Die schwingfähige Membran (1) liegt bevorzugt endseitig mit einer Elektrode (13) kontaktiert vor, sodass durch Ansteuerung der mindestens einer Elektrode (13) die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode (13) ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen MEMS-Wandler, welcher eine schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen eines Fluids in einer vertikalen Richtung umfasst, wobei die schwingfähige Membran von einem Träger gehalten wird und die schwingfähige Membran zwei oder mehr vertikale Abschnitte aufweist, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial umfassen. Die schwingfähige Membran liegt bevorzugt endseitig mit einer Elektrode kontaktiert vor, sodass durch Ansteuerung der mindestens einer Elektrode die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
    • Hintergrund und Stand der Technik
  • Für die Herstellung kompakter, mechanisch-elektronischer Vorrichtungen wird heute auf vielen Anwendungsgebieten auf die Mikrosystemtechnik zurückgegriffen. Die so herstellbaren Mikrosysteme (engl. microelectromechanical system, kurz MEMS) sind sehr kompakt (Mikrometerbereich) bei gleichzeitig hervorragender Funktionalität und immer geringeren Herstellungskosten.
  • Aus dem Stand der Technik sind auch MEMS-Wandler, wie beispielsweise MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Mikrofone, bekannt. Derzeitige MEMS-Lautsprecher werden zumeist als planare Membransystem ausgeführt mit einer vertikalen Aktuierung einer schwingfähigen Membran in Emissionsrichtung. Die Anregung erfolgt beispielsweise mittels piezoelektrischer, elektromagnetischer oder elektrostatischer Aktuatoren.
  • Ein elektromagnetischer MEMS-Lautsprecher für mobile Geräte wird in Shahosseini et al. 2015 beschrieben. Der MEMS-Lautsprecher weist eine versteifende Silizium-Mikrostruktur als Schallstrahler auf, wobei der bewegliche Teil an einem Träger über Silizium-Triebfedern aufgehangen wird, um große Verschiebungen mittels eines elektromagnetischen Motors aus der Ebene zu ermöglichen.
  • Stoppel et al. 2017 offenbart einen Zwei-Wege Lautsprecher dessen Konzept auf konzentrischen piezoelektrischen Aktuatoren basiert. Als eine Besonderheit ist die Schwingungsmembran nicht geschlossen ausgeführt, sondern umfasst acht piezoelektrische unimorphe Aktoren, die jeweils aus einer piezoelektrischen und einer passiven Schicht bestehen. Die äußeren Tieftöner bestehen aus vier einseitig eingespannten Aktuatoren mit Trapezform, während die inneren Hochtöner durch vier dreieckige Aktuatoren gebildet werden, welche mittels Feder mit einem starren Rahmen verbunden. Die Trennung der Membran soll ein verbessertes Klangbild bei höherer Leistung erlauben.
  • Nachteilig an derartigen planaren MEMS-Lautsprechern ist deren Limitierung in Bezug auf die Schallleistung, insbesondere bei tiefen Frequenzen. Ein Grund hierfür liegt darin, dass der erzeugbar Schalldruckpegel proportional zum Quadrat der Frequenz für eine vorgegebene Auslenkung ist. Für hinreichend Schallleistungen sind daher entweder Auslenkungen für die Schwingungsmembranen von mindestens 100 µm oder großflächige Membranen im Quadratzentimeterbereich notwendig. Beide Bedingungen sind mittels einer MEMS-Technologie nur schwer zu realisieren.
  • Im Stand der Technik wurde daher vorgeschlagen MEMS-Lautsprecher zu konzipieren, welche nicht eine geschlossene Membran zu Schwingungen in vertikaler Emissionsrichtung aufweisen, sondern eine Vielzahl von beweglichen Elementen, die zu lateralen bzw. horizontalen Schwingungen angeregt werden können. Vorteilhaft hieran ist es, dass auf kleiner Fläche ein vergrößerter Volumenstrom bewegbar und somit einer erhöhte Schallleistung bereitgestellt werden kann.
  • Ein auf diesem Prinzip basierender MEMS-Lautsprecher wird beispielsweise in der US 2018 / 0179048 A1 bzw. Kaiser et al. 2019 offenbart.
  • Der MEMS-Lautsprecher umfasst eine Mehrzahl elektrostatischer Biegeaktuatoren, welche zwischen einem Deckel- und Boden-Wafer als vertikale Lamellen angeordnet vorliegen und durch entsprechende Steuerung zu lateralen Schwingungen angeregt werden können. Hierbei bildet eine innere Lamelle eine Aktuatorelektrode gegenüber zwei äußeren Lamellen. Bis auf einen Verbindungsknoten von weiterhin galvanisch getrennten Elektroden besteht ein Luftspalt zwischen den gebogenen drei Lamellen. Liegt ein Potential innen gegen außen an, führt dies zu einer beidseitigen Anziehung aufgrund der Wölbung des Designs in Richtung einer Vorzugsrichtung, welche durch einen Anker vorgegeben ist. Die Ausbuchtungen der äußeren Lamellen dienen der Beweglichkeit. Die Rückstellkraft ist durch eine mechanische Federkraft gegeben. Ein pull-push Betrieb ist somit nicht möglich.
  • Nachteilig ist zudem, dass Spalten zwischen den Biegeaktuatoren und den Deckel/Boden-Wafern, welche für deren Beweglichkeit notwendig sind, zu einer Ventilation zwischen beiden Kammern führen. Hierdurch erfährt die untere Grenzfrequenz eine Begrenzung. Weiterhin ist die laterale Bewegung der Biegeaktuatoren und mithin die Schallleistung eingeschränkt, um einen pull-in Effekt und akustischen Durchschlag zu vermeiden.
  • Ein alternatives Luftpuls- oder Schallerzeugungssystem auf MEMS-Basis wird in der US 2019 / 011 64 17 A1 beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Vorder- sowie Rückkammer und eine Mehrzahl von Ventilen, wobei Vorder- und Rückkammer mittels einer gefalteten Membran voneinander getrennt sind. In einer Ausführungsform weist die gefaltete Membran im Querschnitt eine rechteckige Mäanderstruktur mit horizontalen und vertikalen Abschnitten auf. Auf den jeweiligen horizontalen Abschnitten sind Piezoaktuatoren positioniert, um durch eine synchronisierte Dehnung oder Stauchung der horizontalen Abschnitte eine laterale Bewegung der vertikalen Abschnitte zu bewirken. Bei dem vorgeschlagenen Prinzip kann ebenfalls auf einer kleinen Chip-Oberfläche eine vergrößerter Volumenstrom und somit Schallleistung generiert werden.
  • Nachteilig ist jedoch der erhöhte Aufwand für den synchronisierten Antrieb der Piezoaktuatoren. Auch besteht ein Verbesserungspotential in Bezug auf das durch die lateralen Schwingungen verdrängte Volumen, welche durch die geometrische Anordnung der einseitig aktuierten horizontalen Abschnitte begrenzt ist.
  • Im Lichte der Nachteile des Standes der Technik besteht somit ein Bedarf an alternativen oder verbesserten Lösungen für MEMS-basierte Lautsprecher.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es einen MEMS-Wandler, insbesondere MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Mikrofon, sowie ein Verfahren zur Herstellung des MEMS-Wandlers bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes nicht aufweisen. Insbesondere war es eine Aufgabe der Erfindung einen leistungsstarken MEMS-Lautsprecher bzw. MEMS-Mikrofon mit hoher Klangqualität bzw. Audioqualität zur Verfügung zu stellen, welche sich gleichzeitig durch einen einfachen, kostengünstigen und kompakten Aufbau auszeichnen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung betrifft bevorzugt einen MEMS-Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids umfassend
    • einen Träger,
    • eine schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung, wobei die schwingfähige Membran von dem Träger gehalten wird
    und wobei die schwingfähige Membran zwei oder mehr vertikale Abschnitte aufweist, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial umfassen, wobei die schwingfähige Membran endseitig mit mindestens einer Elektrode kontaktiert vorliegt,
    sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
  • Besonders bevorzugt kann es sich bei dem MEMS-Wandler um einen MEMS-Lautsprecher handeln. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung einen MEMS-Lautsprecher umfassend
    • einen Träger,
    • eine schwingfähige Membran zur Erzeugung von Schallwellen in eine vertikale Emissionsrichtung, wobei die schwingfähige Membran von dem Träger gehalten wird,
    wobei die schwingfähige Membran zwei oder mehr vertikale Abschnitte aufweist, welche parallel zur Emissionsrichtung ausgebildet sind und mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial umfassen, wobei die schwingfähige Membran bevorzugt endseitig mit mindestens einer Elektrode kontaktiert vorliegt, sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können.
  • Durch die Konstruktionsweise des MEMS-Lautsprecher kann ein MEMS-Lautsprecher mit hoher Schalleistung und vereinfachter Ansteuerung erhalten werden.
  • Im Gegensatz zu bekannten planaren MEMS-Lautsprechen muss die schwingfähige Membran selbst nicht über eine große Fläche von mehreren Quadratzentimeter oder mit einer Auslenkungen mehr als 100 µm betrieben werden, um einen ausreichenden Schalldruck zu erzeugen. Stattdessen kann die Mehrzahl der vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran mit kleinen horizontalen bzw. lateralen Bewegungen von wenigen Mikrometer eine vergrößertes Gesamtvolumen in vertikaler Emissionsrichtung bewegen.
  • Gegenüber Lösungen gemäß der US 2018 / 0179048 A1 bzw. Kaiser et al. 2019 ist der beanspruchte MEMS-Lautsprecher durch einen vereinfachten Aufbau, Steuerung und Herstellungsverfahren gekennzeichnet.
  • Insbesondere die Bereitstellung der vertikalen Lamellen bzw. Biegeaktuatoren für einen MEMS-Lautsprecher gemäß Kaiser et al. 2019 ist aufwändig. Zudem sind hinreichend präzise senkrechte Ätzungen nur für begrenzte Lamellenhöhen möglich, wodurch die Schallleistungen limitiert wird.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Lösung können stattdessen die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran wie im Folgenden noch im Detail erläutert, mittels einfacher Herstellungsschritte in MEMS-Ausführung erhalten werden. Zudem vermeidet das erfindungsgemäße Aktuatorprinzip ein pull-in oder ein Verkleben der vertikalen Abschnitte. Im Gegensatz zur Lösung von Kaiser et al. 2019 werden durch die einseitigen Elektroden keine Potentialdifferenzen in einem Spalt zwischen den vertikalen Abschnitten erhalten. Neben der Vermeidung einer Überspannung bzw. eines Pull-Ins kann hierdurch zudem eine Staubansammlung vermindert werden, da beispielsweise eine außenliegende Elektrode auf ein Grundpotential gelegt werden kann.
  • Ein weiterer besonderer Vorteil des beschriebenen MEMS-Lautsprechers liegt in der vereinfachten Ansteuerung. Während in der US 2019/011 64 17 A1 eine Vielzahl von piezoelektrischen Aktuatoren an den horizontalen Abschnitten kontaktiert werden müssen, kann der vorgeschlagene MEMS-Lautsprecher mittels mindestens einer endseitigen Elektrode betrieben werden. Dies reduziert den Herstellungsaufwand, minimiert Fehlerquellen und führt zudem inhärent zu einer synchronen Steuerung der vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen.
  • Auf diese Weise können die Luftvolumina, welche zwischen den vertikalen Abschnitten vorliegen, überaus präzise durch die horizontalen Schwingungen entlang der vertikalen Emissionsrichtung bewegt werden. Ein verbessertes Klangbild, auch bei hohen Schallleistungen ist das Ergebnis.
  • Ein "MEMS-Lautsprecher" bezeichnet bevorzugt einen Lautsprecher, welcher auf einer MEMS-Technologie basiert und dessen klangerzeugende Strukturen mindestens teilweise eine Dimensionierung im Mikrometerbereich (1 µm bis 1000 µm) aufweisen. Bevorzugt können beispielsweise die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran in Breite, Höhe und/oder Dicke eine Dimension im Bereich von weniger als 1000 µm aufweisen. Hierbei kann es auch bevorzugt sein, dass beispielsweise lediglich die Höhe der vertikalen Abschnitte im Mikrometerbereich dimensioniert sind, während beispielsweise die Länge eine größere Dimension und/oder die Dicke eine kleinere Größe aufweisen kann.
  • Die Gestaltung der schwingfähigen Membran lässt sich vorteilhafterweise nicht nur zur Ausbildung eines MEMS-Lautsprechers mit hoher Schalleistung und vereinfachter Ansteuerung nutzen. Ebenso wird beispielsweise die Bereitstellung eines besonders leistungsstarken MEMS-Mikrofones mit hoher Audioqualität ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung somit zudem ein MEMS-Mikrofon umfassend
    • einen Träger,
    • eine schwingfähige Membran zur Aufnahme von Schallwellen in einer vertikalen Richtung, wobei die schwingfähige Membran von dem Träger gehalten wird,
    und wobei die schwingfähige Membran zwei oder mehr vertikale Abschnitte aufweist, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial umfassen, wobei die schwingfähige Membran bevorzugt endseitig mit mindestens einer Elektrode kontaktiert vorliegt, sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
  • Der Aufbau des MEMS-Mikrofons ähnelt strukturell dem des MEMS-Lautsprechers insbesondere im Hinblick auf die Ausgestaltung der schwingfähigen Membran. Anstelle einer Ansteuerung der Elektroden zur Erzeugung von horizontalen Schwingungen und mithin Schalldruckwellen, ist das MEMS-Mikrofon jedoch dafür ausgelegt Schalldruckwellen in selbiger vertikaler Richtung aufzunehmen. Bevorzugt liegen zwischen den vertikalen Abschnitten mithin Luftvolumina vor, welche bei Aufnahme von Schallwellen entlang einer vertikalen Detektionsrichtung bewegt werden. Durch die Schalldruckwellen werden die vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt, sodass das Aktuatormaterial ein entsprechendes periodisches elektrisches Signal erzeugt.
  • Ein "MEMS-Mikrofon" bezeichnet bevorzugt ein Mikrofon, welches auf einer MEMS-Technologie basiert und dessen klangaufnehmende Strukturen mindestens teilweise eine Dimensionierung im Mikrometerbereich (1 µm bis 1000 µm) aufweisen. Bevorzugt können beispielsweise die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran in Breite, Höhe und/oder Dicke eine Dimension im Bereich von weniger als 1000 µm aufweisen. Hierbei kann es auch bevorzugt sein, dass beispielsweise lediglich die Höhe der vertikalen Abschnitte im Mikrometerbereich dimensioniert sind, während beispielsweise die Länge eine größere Dimension und/oder die Dicke eine kleinere Größe aufweisen kann.
  • Unter dem Begriff MEMS-Wandler ist somit sowohl ein MEMS-Mikrofon als auch ein MEMS-Lautsprecher zu verstehen. Allgemein bezeichnet der MEMS-Wandler einen Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids, der auf MEMS-Technologie basiert und dessen Strukturen zur Interaktion mit dem Volumenstrom bzw. zur Aufnahme oder Erzeugung von Druckwellen des Fluids eine Dimensionierung im Mikrometerbereich (1 µm bis 1000 µm) aufweisen. Bei dem Fluid kann es sich sowohl um ein gasförmiges, als auch flüssiges Fluid handeln. Die Strukturen des MEMS-Wandlers, insbesondere der schwingfähigen Membran sind zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids ausgelegt.
  • Beispielsweise kann es sich, wie im Falle eines MEMS-Lautsprechers oder MEMS-Mikrofons, um Schalldruckwellen handeln. Der MEMS-Wandler kann sich aber ebenso als Aktuator oder Sensor für andere Druckwellen eignen. Der MEMS-Wandler ist somit bevorzugt ein Gerät, welches Druckwellen (z.B. akustische Signale als Schallwechseldrücke) in elektrische Signale umwandelt oder umgekehrt (Umwandlung elektrischer Signale in Druckwellen, beispielsweise akustische Signale).
  • Auch Anwendungen des MEMS-Wandlers als ein Energy-Harvester sind möglich, wobei pneumatische oder hydraulische Wechseldrücke genutzt werden. Das elektrische Signal kann in diesen Fällen als gewonnene elektrische Energie abgeführt, gespeichert oder anderen (Verbraucher-)geräten zugeführt werden.
  • Endseitig meint bevorzugt eine Positionierung der mindestens eine Elektrode, sodass eine Kontaktierung mit einer Elektronik, z.B. an eine Strom- oder Spannungsquelle im Falle eines MEMS-Lautsprechers, an einem Ende der schwingfähigen Membran erfolgen kann, bevorzugt an einem Ende, an welchem die Membran am Träger aufgehangen vorliegt. Elektrode meint bevorzugt einen Bereich aus einem leitfähigen Material (bevorzugt einem Metall), welcher für eine solche Kontaktierung mit einer Elektronik, z.B. einer Strom- und/oder Spannungsquelle im Falle eines MEMS-Lautsprechers, eingerichtet ist. Bevorzugt kann es sich um einen Elektrodenpad handeln. Besonders bevorzugt dient das Elektrodenpad der Kontaktierung mit einer Elektronik und ist selbst mit einer leitfähigen Metallschicht verbunden, welche sich über die gesamte Fläche der schwingfähigen Membran erstrecken kann. Teilweise wird im Folgenden die leitfähige Schicht zusammen mit einem Elektrodenpad als Elektrode, beispielsweise als Top-Elektrode oder Bottom-Elektrode bezeichnet.
  • In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der MEMS-Wandler zwei endseitige Elektroden. Bevorzugt kann die Kontaktierung mit einer Elektronik, z.B. einer Strom- oder Spannungsquelle, mit den Elektroden an gegenüberliegende Enden der schwingfähigen Membran erfolgen, zwischen welchen die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte vorliegen, sodass mittels der endseitigen Elektroden die Aktuatorlage(n) in den vertikalen Abschnitten angesteuert werden können.
  • Die endseitige Bereitstellung der Elektroden grenzt sich somit bevorzugt von einer Kontaktierung ab, welche die jeweiligen vertikalen Abschnitte mit jeweiligen separaten Elektroden ansteuert bzw. im Falle eines MEMS-Mikrofons erzeugte elektrische Signale abgreift. Bevorzugt umfasst der MEMS-Wandler somit genau ein oder genau zwei Elektroden zur endseitigen Kontaktierung und keine weiteren Elektroden(pads) für eine Kontaktierung mittiger vertikaler Abschnitte.
  • Bevorzugt dient die Lage aus einem Aktuatormaterial in den vertikalen Abschnitten als Bestandteil eines mechanischer Biomorph, wobei durch Ansteuerung derAktuatorlage über die Elektrode eine laterale Wölbung der vertikalen Abschnitte bewirkt wird oder wobei durch eine induzierte laterale Wölbung ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zwei oder mehr vertikale Abschnitte mindestens zwei Lagen auf, wobei eine Lage ein Aktuatormaterial und eine zweite Lage ein mechanisches Stützmaterial umfasst und wobei mindestens die Lage umfassend das Aktuatormaterial und mit einer endseitigen Elektrode kontaktiert vorliegt, sodass die horizontalen Schwingungen durch eine Formänderung des Aktuatormaterials gegenüber dem mechanischen Stützmaterial erzeugbar sind. In der Ausführungsform wird der mechanische Bimorph durch eine Lage aus Aktuatormaterial (z.B. einem piezoelektrischen Material) und einer passiven Lage gebildet, welche als mechanische Stützschicht fungiert. Für die Biegung kann sowohl ein transversaler als auch longitudinaler Piezoeffekt genutzt werden.
  • Bei Ansteuerung derAktuatorlage kann diese beispielsweise eine transversale oder longitudinale Streckung oder Stauchung erfahren. Gegenüber der mechanischen Stützschicht wird hierdurch ein Stressgradient erzeugt, welcher zu einer lateralen Wölbung bzw. Schwingung führt. Wie in der Fig. 1 illustriert, kann durch wechselnde Polung an den Elektroden bevorzugt ein push-pull-Betrieb erfolgen, wodurch abwechselnd nahezu das gesamte Luftvolumen zwischen den vertikalen Abschnitten in vertikaler Emissionsrichtung bewegt werden kann.
  • Vorteilhaft an dem Aktuatorprinzip ist somit eine hoch effiziente Übersetzung der horizontalen Schwingungen vertikaler Abschnitte in eine vertikale Volumenbewegung bzw. Schallerzeugung.
  • Da das Aktuatorprinzip nicht auf einer elektrostatischen Anziehung basiert, sondern auf einer relativen Formänderung (z.B. Stauchung, Streckung, Scherung) derAktuatorlage gegenüber einer Stützschicht, kann ein Verkleben der Membranabschnitte ausgeschlossen werden. Stattdessen können sich die vertikalen Abschnitte endlich berühren und sind somit in ihrer Auslenkung nicht eingeschränkt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte mindestens zwei Lagen, wobei beide Lagen ein Aktuatormaterial umfassen und mit jeweils endseitigen Elektroden kontaktiert vorliegen und die horizontalen Schwingungen durch eine Formänderung der einen Lage gegenüber der anderen Lage erzeugbar sind. In der Ausführungsform wird die horizontale Schwingung der vertikalen Abschnitte mithin nicht durch einen Stressgradienten zwischen einer aktiven Aktuatorlage und einer passiven Stützschicht generiert, sondern durch eine relative Formänderung zweier aktiver Aktuatorlagen.
  • Die Aktuatorlagen können hierbei aus demselben Aktuatormaterial bestehen und unterschiedlich angesteuert werden. Auch können die Aktuatorlagen aus unterschiedlichen Aktuatormaterialien bestehen, beispielsweise aus piezoelektrischen Materialien mit unterschiedlichem Deformationskoeffizienten .
  • Im Sinne der Erfindung wird die "Lage umfassend ein Aktuatormaterial" bevorzugt auch als Aktuatorlage bezeichnet. Ein Aktuatormaterial meint bevorzugt ein Material, welches unter Anlegung einer elektrischen Spannung eine Formänderung, beispielsweise eine Dehnung, Stauchung oder Scherung erfährt oder umgekehrt unter Formänderung eine elektrische Spannung erzeugt.
  • Bevorzugt sind Materialien mit elektrischen Dipolen, welche durch das Anlegen einer elektrischen Spannung eine Formänderung erfahren, wobei die Orientierung der Dipole und/oder des elektrischen Feldes die Vorzugsrichtung der Formänderungen bestimmen kann.
  • Bevorzugt kann das Aktuatormaterial ein piezoelektrisches Material, ein Polymer Piezoelectrical Material und/oder elektroaktive Polymere (EAP) sein.
  • Besonders bevorzugt ist das piezoelektrisch Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Aluminiumnitrid (AIN) und Zinkoxid (ZnO).
  • Zu den Polymer Piezoelectric Materialien gehören bevorzugt Polymere, welche interne Dipole und hierdurch vermittelt piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. D.h. bei Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung erfahren die piezoelektrischen Polymer Materialien (analog zu den vorgenannten klassischen piezoelektrischen Materialien) eine Formänderung (z.B. Stauchung, Streckung oder Scherung). Ein Beispiel für ein bevorzugten piezoelektrisches Polymermaterialien Polyvinylidenfluorid.
  • Hierdurch kann eine makroskopische Lösung realisiert werden, bei der eine Polymer Piezoelectrical Material Schicht auf einer mechanischen Stützschicht aufgebracht ist und über einen oberen und unteren Kamm gewickelt wird. Bevorzugt wird zunächst eine Polymer Piezoelectrical Material Schicht (inklusive Elektrode) auf einer Stützschicht (ggf. inklusive einer Gegenelektrode) bereitgestellt. Im Anschluss wird ein oberer und unterer Kamm (bevorzugt einer MEMS-Struktur) derart gegeneinander gefahren, dass eine gefaltete Membran mit aktuierbaren vertikalen Abschnitten entsteht.
  • Im Sinne der Erfindung wird die "Lage umfassend ein mechanische Stützmaterial" bevorzugt auch als Stützlage oder Stützschicht bezeichnet. Das mechanische Stützmaterial bzw. die Stützlage dient bevorzugt als passive Lage, welche einer Formänderung der Aktuatorlage widerstehen kann. Im Gegensatz zu einer Aktuatorlage ändert das mechanische Stützmaterial beim Anlegen einer elektrischen Spannung bevorzugt seine Form nicht. Bevorzugt ist das mechanisch Stützmaterial elektrisch leitend, sodass auch unmittelbar für eine Kontaktierung der Aktuatorlage verwandt werden kann. Es kann aber auch in einigen Ausführungsformen nichtleitend sein und beispielsweise mit einer elektrisch leitfähigen Lage beschichtet vorliegen.
  • Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mechanischen Stützmaterial um monokristallines Silizium, ein Polysilizium oder ein dotiertes Polysilizium.
  • Während die Aktuatorlage bei einer elektrischen Spannung eine Formänderung erfährt, verbleibt die Lage des mechanischen Stützmaterials im Wesentlichen unverändert. Der resultierende Stressgradient zwischen beiden Lagen (mechanischer Bimorph) bewirkt bevorzugt eine horizontale Wölbung. Zu diesem Zweck ist die Dicke der Stützlage im Vergleich zur Dicke der Aktuatorlage bevorzugt so zu wählen, dass für die Wölbung ein hinreichend großer Stressgradient generiert wird. Für dotiertes Polysilizium als mechanisches Stützmaterial und einem piezoelektrischen Material wie PZT oder AIN haben sich beispielsweise im Wesentlichen gleich große Dicke, bevorzugt zwischen 0,5 µm und 2 µm, als besonders geeignet erwiesen.
  • Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ±20%, bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5% und insbesondere weniger als ± 1%. Angaben von im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. offenbaren und umfassen stets auch den exakten genannten Wert.
  • Bei periodischer Ansteuerung der Aktuatorlage, z.B. mittels einer Wechselspannung, können somit schnell und präzise horizontale Schwingungen zur Schallemission erzeugt werden.
  • Für die Gewährleistung einer horizontalen Schwingung kann bevorzugt das piezoelektrische Material eine C-Axis Orientierung senkrecht zur Oberfläche der vertikalen Abschnitte aufweisen, sodass ein transversaler piezoelektrische Effekt genutzt wird. Auch andere Orientierungen und beispielsweise die Ausnutzung eines longitudinalen piezoelektrischen Effekts zur Ausbildung der horizontalen Wölbungen bzw. Schwingungen (vgl. Fig. 1) können bevorzugt sein.
  • Eine Kontaktierung der Aktuatorlage und/oder der Lage aus einem mechanischen Stützmaterial und somit das Anlegen einer elektrischen Spannung kann über die endseitigen Elektroden unmittelbar erfolgen oder durch eine Lage aus einem leitfähigen Material unterstützt werden,
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die schwingfähige Membran daher mindestens eine Lage aus einem leitfähigen Material.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist das leitfähige Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Platin, Wolfram, (dotiertes) Zinnoxid, monokristallines Silizium, Polysilizium, Molybdän, Titan, Tantal, Titan-Wolfram Legierung, Metallsilizid, Aluminium, Graphit und Kupfer.
  • Die Richtungsangaben vertikal und horizontal (bzw. lateral) beziehen sich bevorzugt auf eine Vorzugsrichtung in welcher die schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids ausgerichtet ist. Bevorzugt ist die schwingfähige Membran horizontal zwischen mindestens zwei Seitenbereichen eines Trägers aufgehangen, während die vertikale Richtung (Interaktionsrichtung mit dem Fluid) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen orthogonal dazu vorliegt. Im Falle eines MEMS-Lautsprechers entspricht die vertikale (Interaktions-)richtung der vertikalen Schallemissionsrichtung des MEMS-Lautsprechers. Vertikal meint in dem Fall bevorzugt die Richtung der Schallemission, während horizontal eine dazu orthogonale Richtung meint. Im Falle eines MEMS-Mikrofons entspricht die vertikale (Interaktions-)richtung der vertikalen Schalldetektionsrichtung des MEMS-Mikrofons. Vertikal meint in dem Fall bevorzugt die Richtung der Schalldetektion bzw. Aufnahme, während horizontal eine dazu orthogonale Richtung meint.
  • Die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran bezeichnen somit bevorzugt Abschnitte der schwingfähigen Membran, welche in Emissionsrichtung eines MEMS-Lautsprechers bzw. Detektionsrichtung eines MEMS-Mikrofons ausgerichtet sind.
  • Während die schwingfähige Membran bevorzugt horizontal zur Schallemissionsrichtung oder Schalldetektionsrichtung ausgerichtet vorliegt, werden die Schallwellen durch eine Aktuierung der vertikalen Abschnitte erzeugt oder umgekehrt detektiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Träger zwei Seitenbereiche zwischen welchen die schwingfähige Membran in horizontaler Richtung angeordnet vorliegt.
  • Bei dem Träger handelt es sich bevorzugt um eine Rahmenstruktur, welche im Wesentlichen durch eine durchgehende äußere Umrandung in Form von Seitenwänden eines frei bleibenden flächigen Bereichs gebildet wird. Die Rahmenstruktur ist dabei bevorzugt stabil und biegesteif. Bei einer eckigen Rahmenform (dreieckiger, viereckiger, sechseckig oder allgemein mehreckiger Umriss) werden die einzelnen Seitenbereiche, die die Rahmenstruktur bevorzugt im Wesentlichen bilden, insbesondere Seitenwände genannt.
  • Die schwingfähige Membran wird bevorzugt von mindestens zwei Seitenwänden des Trägers gehalten. In den beispielhaften Fig. 1-9 sind die beiden Seitenwände im Querschnitt zu sehen. Bevorzugt umfasst der bevorzugt der Träger jedoch vier Seitenbereiche, mit zusätzlichen Stirnflächen in der Regel parallel zum gezeichneten Querschnitt. Diese weiteren zwei Seitenwände spannen die Rahmstruktur auf.
  • Die schwingfähige Membran ist bevorzugt flächig innerhalb des freibleibenden Fläche aufgehangen. Die flächige Ausbreitung der schwingfähigen Membran kennzeichnet eine horizontale Richtung, während die vertikalen Abschnitte orthogonal dazu vorliegen. In Bezug auf die Stirnflächen kann die Membran an diesen Seitenwänden angehaftet sein oder dort zwecks größerer Beweglichkeit geschlitzt sein. Vorteilhaft kann der Schlitz einen dynamischen Hochpass darstellen, welcher beispielsweise ein Frontvolumen und Rückvolumen miteinander koppelt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Träger aus einem Substrat gebildet, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus monokristallinem Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, Siliziumgermanium, Siliziumnitrid, Nitrid, Germanium, Kohlenstoff, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Indiumphosphid und Glas.
  • Diese Materialien sind in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemherstellung einfach und kostengünstig zu bearbeiten und eignen sich für eine Herstellung im großen Maßstab. Die Trägerstruktur kann aufgrund der Materialien und/oder Herstellungsweisen flexibel hergestellt werden. Insbesondere ist bevorzugt eine Herstellung des MEMS-Wandlers umfassend eine schwingfähige Membran zusammen mit einem Träger in einem (Halbleiter-)prozess, bevorzugt auf einem Wafer möglich. Hierdurch wird die Herstellung weiter vereinfacht und verbilligt, sodass kostengünstig ein kompakter und robuster MEMS-Wandler bereitgestellt werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die schwingfähige Membran durch eine Lamellenstruktur oder Mäanderstruktur gebildet. Bevorzugt bezieht sich die Angabe einer Lamellen- oder Mäanderstruktur auf die Form der schwingfähigen Membran im Querschnitt.
  • Eine Lamellenstruktur bezeichnet bevorzugt eine Anordnung gleichartiger, parallel verlaufener Lagen, welche bevorzugt die vertikalen Abschnitte bilden. Die einzelnen Lamellen sind dabei bevorzugt mit ihrer Fläche parallel zur vertikalen Richtung, bevorzugt einer Emissions- oder Detektionsrichtung ausgerichtet. Bevorzugt sind die Lamellen mehrlagig aufgebaut und bilden einen mechanischem Biomorph. Beispielsweise können die Lamellen jeweils eine Aktuatorlage sowie eine passive Lage aus einem Stützmaterial und/oder zwei verschieden steuerbare Aktuatorlagen umfassen.
  • Es kann dabei bevorzugt sein, dass die Lamellen flächig sind, das bedeutet insbesondere, dass ihre Ausdehnung in jeder der zwei Dimensionen (Höhe, Breite) ihrer Fläche größer ist als in einer hierzu senkrechten Dimension (der Dicke). Beispielsweise können Größenverhältnisse von mindestens 2:1, bevorzugt mindestens 5: 1, 10: 1 oder mehr bevorzugt sein.
  • Bevorzugt weist die schwingfähige Membran eine Vielzahl von Lamellen auf, welche die vertikalen Abschnitte bilden. Beispielsweise können 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 oder mehr Lamellen bevorzugt sein. Hierdurch wird ein hoher Wirkungsgrad für eine gewünschte Schallemission oder Schalldetektion auf engstem Raum realisiert.
  • In der Ausführungsform wird die schwingfähige Membran bevorzugt durch die Lamellen als vertikale Abschnitte gebildet, welche über leitfähige Brücken oder horizontale Abschnitte miteinander verbunden sind. Als Brücken eignen sich beispielsweise Metallbrücken (vgl. Fig. 9) oder auch Brücken aus anderen leitfähigen Materialien. Die leitfähigen Brücken gewährleisten zum einen die mechanische Integrität der schwingfähigen Membran. Zum andern erlauben die leitfähigen Brücken vorteilhaft eine Kontaktierung sämtliche Lamellen mittels endseitiger Elektroden. Vorteilhaft können die Lamellen somit mit geringem Steuerungs- sowie Herstellungsaufwand synchron zu horizontalen Schwingungen angeregt werden oder selbige detektieren.
  • Eine Mäanderstruktur bezeichnet bevorzugt eine aus einer Abfolge zueinander orthogonaler Abschnitte im Querschnitt gebildete Struktur. Bei den zueinander orthogonalen Abschnitten handelt es sich bevorzugt um vertikale und horizontale Abschnitte der schwingfähigen Membran. Besonders bevorzugt ist die Mäanderstruktur im Querschnitt rechteckig. Die Mäanderstruktur entspricht somit bevorzugt einer entlang der Breite gefalteten Membran. Im Sinne der Erfindung kann eine schwingfähige Membran daher bevorzugt auch als Faltenbalg bezeichnet werden. Die parallelen Falten des Faltenbalges bilden bevorzugt die vertikalen Abschnitte. Die Verbindungsabschnitte zwischen den Falten bilden bevorzugt die horizontalen Abschnitte. Bevorzugt sind die vertikalen Abschnitte länger als die horizontalen Abschnitte, beispielsweise um einen Faktor 1,5, 2, 3, 4 oder mehr.
  • In Bezug auf die Funktion einer schwingfähigen Membran in Mäanderform zur Erzeugung oder Aufnahme von Schallwellen sind analog zu den vorstehend beschriebenen Lamellen, die vertikalen Abschnitte maßgeblich. Bevorzugt sind die vertikalen Abschnitte mehrlagig aufgebaut und bilden einen mechanischem Biomorph. Beispielsweise können die vertikalen Abschnitte jeweils eine Aktuatorlage sowie eine passive Lage aus einem Stützmaterial und/oder zwei verschieden steuerbaren Aktuatorlagen umfassen. Die horizontalen Abschnitte der gefalteten Membran können bevorzugt identisch zu den vertikalen Abschnitten aufgebaut sein (vgl. u.a. Fig. 3-7). Es kann aber ebenso bevorzugt sein, dass die horizontalen Abschnitte - im Gegensatz zu den vertikalen Abschnitten - keine Aktuatorlage aufweisen, sondern lediglich eine mechanische Stützschicht und/oder eine elektrisch leitfähige Schicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial der schwingfähigen Membran eine durchgängige Lage. Durchgängig meint bevorzugt, dass im Querschnittsprofil keine Unterbrechung vorliegen. Demgemäß ist es in der genannten Ausführungsform bevorzugt, dass sowohl eine durchgängige Lage von Aktuatormaterial in den vertikalen, als auch horizontalen Abschnitten vorliegt. Eine durchgängige Lage ist besonders einfach in der Herstellung und gewährleistet eine synchrone Aktuierung beim Betrieb eines MEMS-Lautsprechers.
  • Die Performance des MEMS-Wandlers, insbesondere eines MEMS-Lautsprechers oder MEMS-Mikrofons, kann wesentlich von der Anzahl und/oder Dimensionierung der vertikalen Abschnitte bestimmt werden.
  • In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die schwingfähige Membran mehr als 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 oder mehr vertikale Abschnitte.
  • In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die schwingfähige Membran weniger als 10000, 5000, 2000 oder 1000 oder weniger vertikale Abschnitte.
  • Die bevorzugte Anzahl von vertikalen Abschnitten führt zu hohen Schallleistung auf kleinsten Chip-Oberflächen, ohne dass das Klangbild oder die Audioqualität leidet.
  • Bevorzugt sind die vertikalen Abschnitte flächig, das bedeutet insbesondere, dass ihre Ausdehnung in jeder der zwei Dimensionen (Höhe, Breite) ihrer Fläche größer ist als in einer hierzu senkrechten Dimension (der Dicke). Beispielsweise können Größenverhältnisse von mindestens 2:1, bevorzugt mindestens 5: 1, 10: 1 oder mehr bevorzugt sein.
  • Im Sinne der Erfindung entspricht die Höhe der vertikalen Abschnitte bevorzugt der Dimension entlang der Richtung der Schallemission oder Schalldetektion, während die Dicke der vertikalen Abschnitte bevorzugt Summe der Schichtdicke der eine oder mehreren Lagen entspricht, welche die vertikalen Abschnitte bilden. Die Länge der vertikalen Abschnitte entspricht bevorzugt einer zur Höhe bzw. Dicke orthogonalen Dimension. In den Querschnittsansichten der unten aufgeführten Abbildungen sind Höhe und Dicke schematisch (nicht zwangsläufig skalengetreu) dargestellt, während die Dimension der Länge einer (nicht sichtbaren) Zeichnungstiefe der Abbildungen entspricht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Höhe der vertikalen Abschnitte zwischen 1 µm und 1000 µm, bevorzugt zwischen 10 µm und 500 µm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien wie beispielsweise 1 µm bis 10 µm, 10µm bis 50 µm, 50 µm bis 100 µm, 100 µm bis 200 µm, 200 µm bis 300 µm, 300 µm bis 400 µm, 400 µm bis 500 µm, 600 µm bis 700 µm, 700 µm bis 800 µm, 800 µm bis 900 µm oder auch 900 µm bis 1000 µm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise 10 µm bis 200 µm, 50 µm bis 300 µm oder auch 100 µm bis 600 µm.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der vertikalen Abschnitte zwischen 100 nm und 10 µm, bevorzugt zwischen 500 nm und 5 µm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien wie beispielsweise 100 nm bis 500 nm, 500 nm bis 1 µm, 1 µm bis 1,5 µm, 1,5 µm bis 2 µm, 2 µm bis 3 µm, 3 µm bis 4 µm, 4 µm bis 5 µm, 5 µm bis 6 µm, 6 µm bis 7 µm, 7 µm bis 8 µm, 8 µm bis 9 µm oder auch 9 µm bis 10 µm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise 500 nm bis 3 µm, 1 µm bis 5 µm oder auch 1500 nm bis 6 µm.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge der vertikalen Abschnitte zwischen 10 µm und 10 mm, bevorzugt zwischen 100 µm und 1 mm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien wie beispielsweise 10 µm bis 100 µm, 100 µm bis 200 µm, 200 µm bis 300 µm, 300 µm bis 400 µm, 400 µm bis 500 µm, 500 µm bis 1000 µm, 1 mm bis 2 mm, 3 mm bis 4 mm, 4 mm bis 5 mm, 5 mm bis 8 mm oder auch 8 mm bis 10 mm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise 10 µm bis 500 µm, 500 µm bis 5 µm oder auch 1 mm bis 5 mm.
  • Mit den vorgenannten bevorzugten Dimensionierungen der schwingfähigen Membran bzw. der vertikalen Abschnitte kann eine besonders kompakter MEMS-Wandler, insbesondere MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Mikrofon bereitgestellt werden, welcher gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit mit ausgezeichnetem Klangbild oder Audioqualität verbindet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die schwingfähige Membran durch eine Mäanderstruktur gebildet mit abwechselnden vertikalen und horizontalen Abschnitten, wobei an mindestens zwei der horizontalen Abschnitte Haltestrukturen angebracht vorliegen, welche mittelbar oder unmittelbar mit dem Träger verbunden sind. Die Haltestrukturen können beispielsweise durch Substratmaterial des Trägers bereitgestellt werden, d.h. die Haltestrukturen können unmittelbar aus dem Substrat eines bottom wafers geformt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Haltestrukturen als separate Grate bzw. Erhöhungen eines top wafer mit den horizontalen Abschnitten verbunden werden.
  • Die Haltestrukturen können bevorzugt ein- und/oder zweiseitig an der schwingfähigen Membran, d.h. bevorzugt an oberen und/oder unteren horizontalen Abschnitten angebracht vorliegen.
  • Insbesondere bei Aufhängung einer größer dimensionierten schwingfähigen Membran zwischen den Seitenwänden eines Trägers erlaubt die Verwendung von Haltestrukturen vorteilhaft eine Stabilisierung, ohne die Schallerzeugung oder Schallaufnahme negativ zu beeinflussen.
  • Da die horizontalen Abschnitte bei einer Mäanderform zumindest im Wesentlichem mechanisch neutral sind, führt eine Arretierung selbiger mittels der Haltestruktur vorteilhaft zu keinen unerwünschten Spannungen zwischen Membran und Haltestruktur bzw. Träger.
  • Für den Aufbau der schwingfähigen Membran können verschiedene Lagen vorgesehen sein, um die beschriebene Aktuierung und Anregung zu horizontalen Schwingungen oder deren Detektion zu gewährleisten.
  • Eine Kontaktierung einer oder mehrerer Aktuatorlage(n) und/oder einer oder mehrere Lagen aus einem mechanischen Stützmaterial und somit das Anlegen oder Detektieren einer elektrischen Spannung kann über die endseitigen Elektroden unmittelbar erfolgen oder durch eine Lage aus einem leitfähigen Material unterstützt werden,
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die schwingfähige Membran daher mindestens eine Lage aus einem leitfähigen Material.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist das leitfähige Material ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Platin, Wolfram, (dotiertes) Zinnoxid, monokristallines Silizium, Polysilizium, Molybdän, Titan, Tantal, Titan-Wolfram Legierung, Metallsilizid, Aluminium, Graphit und Kupfer.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die schwingfähige Membran drei Lagen, wobei eine obere Lage von einem leitfähigen Material gebildet wird und mit einer oberen Elektrode verbunden ist, eine mittlere Lage aus dem Aktuatormaterial gebildet wird und eine untere Lage von einem leitfähigen Material, gebildet wird.
  • Bevorzugt kann das leitfähige Material der oberen und/oder untere Lage ein mechanisches Stützmaterial sein, sodass dieser Lage eine Doppelfunktion zu kommt. Zum einen gewährleistet die Lage einer Kontaktierung der Aktuatorlage mit einem elektrischen Potential, welches an den endseitigen Elektroden angelegt werden kann. Zum anderen fungiert diese als mechanische Stützschicht in der beschriebenen Weise zur Erzeugung von horizontalen Wölbungen bzw. Schwingungen bei entsprechender Aktuierung der Aktuatorlage.
  • Eine derartige Ausführungsform kann mittels einfacher Herstellungsschritte erhalten werden, wie beispielhaft in der Figur 2 illustriert. In der in Fig. 2G, Fig. 3 und 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform weist die schwingfähige Membran eine Mäanderstruktur mit einer durchgängigen oberen Lage aus einem leitfähigen Material (Metall) auf, einer durchgängigen mittleren Lage aus einem Aktuatormaterial und einer unteren Lage aus einem leitfähigen mechanischen Stützmaterial. Eine umgekehrte Reihenfolge der Lagen oder einer weiteren zusätzlichen leitfähigen Lage im Kontakt mit der mechanischen Stützschicht und/oder Aktuatorlage zur verbesserten Kontaktierung können ebenso vorgesehen sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die schwingfähige Membran zwei Lagen aus einem Aktuatormaterial, welche durch eine mittlere Lage aus einem leitfähigen Material, bevorzugt Metall, getrennt werden, wobei die mittlere Lage mit einer ersten Elektrode verbunden vorliegt und mindestens eine der beiden Lagen aus einem Aktuatormaterial über eine weitere Lage aus einem leitfähigem Material, bevorzugt einem Metall, mit einer zweiten Elektrode kontaktiert vorliegen.
  • Wie obig erläutert, können in einer bevorzugten Ausführungsform auch zwei Aktuatorlagen verwandt werden, um beispielsweise mittels unterschiedlicher Ansteuerung die vertikalen Abschnitte in horizontale Schwingungen zu versetzen. Um die elektrische Potentialänderungen von den endseitigen Elektroden an die jeweilige Aktuatorlage zu übertragen, können bevorzugt zwei oder mehr Zwischenschichten aus einem leitfähigen Material vorgesehen sein. Bevorzugt dienen die Lagen aus leitfähigem Material, beispielsweise aus einem Metall, in dem Fall bevorzugt ausschließlich der Kontaktierung und nicht als mechanische Stützschicht. Die im Sinne eines Bimorphs für einen MEMS-Lautsprecher zur Wölbung bzw. Schwingung erforderliche Spannung wird durch eine unterschiedliche Steuerung der Aktuatorlagen selbst induziert.
  • Bevorzugt können die Lagen aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Metall, daher besonders dünn (weniger als 500 nm, bevorzugt weniger als 200 nm) ausgeführt werden.
  • In der in Fig. 5 wird beispielhaft eine derartige bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Diese weist eine schwingfähige Membran als Mäanderstruktur mit zwei Lagen aus einem Aktuatormaterial auf, welche durch eine mittlere Lage aus einem leitfähigen Material (Metall) getrennt werden. Die mittlere Lage ist mit einer ersten endseitigen Elektrodenpad verbunden, während die obere Aktuatorlage über eine weitere Lage aus einem leitfähigen Material mit einer zweiten endseitigen Elektrode kontaktiert vorliegt. Eine untere Lage aus einem leitfähigen Material liegt mit keiner der Elektroden kontaktiert vor. Eine umgekehrte Reihenfolge der Lagen oder ein Verzicht auf die untere Lage aus leitfähigem Material, welche in keinem Kontakt mit den Elektroden steht kann ebenso vorgesehen sein.
  • Bei den vorbeschriebenen Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Aktuatorlage(n) sowie ggf. die mechanischen Stützlagen durchgängig sind, d.h. im Querschnitt von einem Ende der Membran (an welcher bevorzugt eine erste Elektrode vorliegt) über mehrere abwechselnd horizontale und vertikale Abschnitte, bis zu einem zweiten Ende der Membran verlaufen (an welcher bevorzugt eine zweite Elektrode vorliegt).
  • Von den Erfindern wurde erkannt, dass für das Wirkungsprinzip des MEMS-Wandlers, bevorzugt eines MEMS-Lautsprechers, eine Bereitstellung eines mechanischen Biomorphs in den vertikalen Abschnitten ausreichend ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Aktuatorlage nicht durchgängig, sondern liegt lediglich in den vertikalen Abschnitten, nicht aber in den horizontalen Abschnitten vor. Hierbei kann es sowohl bevorzugt sein, dass eine ggf. vorhandene mechanische Stützlage durchgängig verläuft, als auch nicht durchgängig verläuft und beispielsweise nur in vertikalen Abschnitten bereitgestellt wird. Um die vertikalen Abschnitte dennoch mittels endseitiger Elektroden kontaktieren zu können, ist es bevorzugt eine oder mehrere durchgängige Lagen aus einem leitfähigen Material (bevorzugt Metall) aufzutragen.
  • Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für eine Ausführungsform mit einer nicht-durchgängigen Aktuatorlage wird in der Figur 7 illustriert. Hierbei kann eine gezielte Spacer Ätzung der Aktuatorlage in horizontalen Abschnitten erfolgen, sodass nur noch die vertikalen Abschnitte der Membran eine Lage aus einem Aktuatormaterial aufweisen. Eine durchgängige Lage aus einem mechanischen Stützmaterial kann gleichzeitig dielektrisch sein, um einen Kurzschluss zwischen einer oberen und unteren leitfähigen Lage (auch als Top- und Bottom-Elektrode bezeichnet) zu vermeiden.
  • Die Ausführungsform zeichnet sich durch ein besonders effektive Aktuierung und hohe Leistungsperformance aus, bei welcher gezielt lediglich die vertikalen Abschnitte zum alternierenden Wölben bzw. Schwingen angeregt werden, während die horizontalen Abschnitte mechanisch neutral verbleiben. Vorteilhaft kann das verdrängte Volumen pro Phase der Aktuierung nochmals gesteigert werden.
  • Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen wird bevorzugt eine schwingfähige Membran in Mäanderform durch Aufbringen oder Ätzen von entsprechend funktionellen Lagen erhalten.
  • Alternativ kann eine schwingfähige Membran auch durch Bereitstellung von vertikalen Abschnitten und deren Verbindung mittels Metallbrücken hergestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran zwei Lagen, wobei eine erste Lage aus einem Aktuatormaterial besteht, eine zweite Lage aus einem leifähigen Stützmaterial besteht und wobei die vertikalen Abschnitten über horizontale Metallbrücken verbunden vorliegen.
  • Wie in der Fig. 9 illustriert können bevorzugt hierzu mehrere einzelner Piezokeramikelemente umfassend eine Lage aus einem mechanischen Stützmaterial und eine Lage aus einem piezoelektrischen Material, sowie einer Opferlage bereitgestellt werden. Durch mehrere Verfahrensschritte umfassend eine Durchkontaktierung und Metallfüllung sowie ein Stapeln und Dicing der Piezokeramikelemente kann vorteilhaft auf robuste und prozesseffiziente Weise eine Membran mit hohem Wirkungsgrad erhalten werden.
  • In der Ausführungsform ist keine durchgängige, homogene leitfähige Lage notwendig. Stattdessen wird eine die Kontaktierung der Aktuatorlage in den vertikalen Abschnitten durch die Metallbrücken sowie einem leitfähigen mechanischen Stützmaterial gewährleistet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die schwingfähige Membran mit einer Lage aus einem Antihaftmaterial beschichtet. Mit Antihaftmaterialien sind insbesondere Materialien mit geringen Oberflächenenergien gemeint, welche weitestgehend inert gegenüber der Umwelt sind und somit eine Ablagerung von Staub oder anderen unerwünschten Partikeln vermeiden. Beispielhaft können die Antihaftmaterialien durch Kohlenstoffschichten, z.B. diamond-like carbon (DLC) Schichten oder auch Schichten umfassend Perfluorcarbone (PFC), wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFT) gebildet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der MEMS-Wandler, bevorzugt ein MEMS-Lautsprecher eine Steuereinheit, welche konfiguriert ist für eine Ansteuerung der mindestens einen Elektrode, sodass die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt werden. Bevorzugt ist die Steuereinheit für eine Ansteuerung der Elektroden konfiguriert, welche eine Frequenz der horizontalen Schwingungen zwischen 10 Hz und 20 kHz gewährleistet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der MEMS-Wandler, bevorzugt ein MEMS-Mikrofon, eine Steuereinheit, welche konfiguriert ist für eine Detektion eines von der mindestens einen Elektrode bereitgestellten elektrischen Signals, welches durch horizontale Schwingungen der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte erzeugt wurde. Bevorzugt ist die Steuereinheit eines MEMS-Mikrofons für eine Abnahme und Aufbereitung eines elektrischen Signals konfiguriert, welche eine Frequenz der horizontalen Schwingungen zwischen 10 Hz und 20 kHz entspricht und mithin für eine Schalldetektion im hörbaren Bereich eingerichtet ist.
  • Die Steuereinheit ist mithin bevorzugt dafür konfiguriert und eingerichtet mittels elektrischer Signale die schwingfähige Membran (bzw. die Aktuatorlage(n) in den vertikalen Abschnitten), zu horizontalen Schwingungen und einer Schallemission im hörbaren Frequenzbereich anzusteuern oder aber bei Anregung der schwingfähigen Membran ein entsprechendes elektrisches Signal aufzunehmen und aufzubereiten.
  • Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit bevorzugt eine Datenverarbeitungseinheit umfassen.
  • Im Sinne der Erfindung bezeichnet eine Datenverarbeitungseinheit bevorzugt eine Einheit, welche zum Empfang, Senden, Speichern und/oder Verarbeiten von Daten, bevorzugt im Hinblick auf eine Ansteuerung der Elektroden oder Abnahme eines an den Elektroden bereitgestellten elektrischen Signals, geeignet und konfiguriert ist. Die Datenverarbeitungseinheit umfasst bevorzugt einen integrierten Schaltkreis, beispielweise auch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, einen Prozessor, einen Prozessorchip, Mikroprozessor oder Mikrokontroller zur Verarbeitung von Daten, sowie optional einen Datenspeicher, einen random access memory (RAM), einen read-only memory (ROM) oder auch einen flash memory zur Speicherung der Daten.
  • In bevorzugten Ausführungsformen liegt die Steuereinheit neben weiteren Komponenten des MEMS-Wandlers (Träger, schwingfähige Membran) auf einer Leiterplatte bzw. Platine integriert vor. D.h. bevorzugt erfolgt eine nahtlose Integration des MEMS-Wandlers mit der Elektronik, welche für die Ansteuerung oder Detektion notwendig ist. Neben der Steuereinheit können auch weitere elektronische Komponenten, wie beispielsweise eine Kommunikationsschnittstelle (bevorzugt drahtlos, z.B. Bluetooth), ein Verstärker, ein Filter oder eine Sensorik, auf ein und derselben Leiterplatine installiert vorliegen.
  • Vorteilhaft wird eine kompakte Gesamtlösung erhalten, bei der ein MEMS-Wandler, bevorzugt ein MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Mikrofon, zusammen mit gewünschter Elektronik auf engstem Raum und bevorzugt mit kostengünstiger und für die Massenherstellung geeigneter CMOS-Prozessierung bereitgestellt werden kann.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die von dem Träger gehaltene schwingfähige Membran in einer Frontseite eines Gehäuses angeordnet vor, welches ein rückseitiges Resonanzvolumen umschließt. Die Schallemission eines solchen MEMS-Lautsprechers erfolgt somit bevorzugt zur offenen Frontseite (sound port) wobei das Klangbild insbesondere für tiefere Frequenzen durch das rückseitige Resonanzvolumen verbessert wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt in dem Gehäuse eine Ventilationsöffnung zur Vermeidung akustischer Kurzschlüsse und/oder zur Unterstützung des Klangbildes vor. Die Ventilationsöffnung ist bevorzugt klein im Vergleich zum Sound port und kann beispielsweise eine maximale Ausdehnung von weniger als 100 µm, bevorzugt weniger als 50 µm aufweisen.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen MEMS-Wandler, bevorzugt einem MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Mikrofon, wie vorstehend beschrieben, umfassend die folgenden Schritte:
    • Ätzen eines Substrats, vorzugsweise von einer Vorderseite, zur Ausbildung einer Strukturierung, vorzugsweise einer Mäanderstruktur
    • Optionales Auftragen eines Ätzstops
    • Aufbringen mindestens zweier Lagen, wobei mindestens erste Lage ein Aktuatormaterial und eine zweite Lage ein mechanischen Stützmaterial umfassen oder mindestens zwei Lagen ein Aktuatormaterial umfassen
    • Kontaktieren der ersten und/oder zweiten Lage mit einer Elektrode
    • Ätzen, vorzugsweise von der Rückseite, und optionale Entfernung des Ätzstops,
    sodass eine schwingfähige Membran, vorzugsweise in Form einer Mäanderstruktur, von einem durch das Substrat (8) gebildeten Träger (4) gehalten wird, wobei die schwingfähige Membran (1) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung mindestens zwei oder mehr vertikale Abschnitte (2) umfasst, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder
    sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
  • Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen des beschriebenen MEMS-Wandlers, bevorzugt MEMS-Lautsprechers oder MEMS-Mikrofons, auch für das beschriebene Herstellungsverfahren gelten. Vorzugsweise dient das beschriebene Herstellungsverfahren der Bereitstellung eines MEMS-Wandlers mit einer gefalteten schwingfähigen Membran mit einer Mäanderstruktur. Beispiele bevorzugter Herstellungsschritte werden in den Fig. 2A-G oder Fig. 8A-J beschrieben.
  • Als Substrat kann z. B. eines der bevorzugten, vorstehend genannten Materialien verwendet werden. Beim Ätzen kann ein Rohling, beispielsweise ein Wafer, in die gewünschte Grundform der Mäanderstruktur gebracht werden. In einem nächsten Schritt werden bevorzugt die Lagen für die schwingfähige Membran aufgebracht.
  • Ein Aufbringen der mindestens einer Lage eines leitfähigen Materials umfasst bevorzugt neben dem Aufbringen einer Lage ebenso das Aufbringen mehrerer Lagen und insbesondere eines Lagensystems. Ein Lagensystem umfasst dabei mindestens zwei planvoll zueinander aufgebrachte Lagen. Das Aufbringen einer Lage oder eines Lagensystems dient bevorzugt der Definition der schwingfähigen Membran umfassend vertikale Abschnitte, welche zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können.
  • Bevorzugt kann das Aufbringen ausgesucht sein aus der Gruppe umfassend physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), insbesondere thermisches Verdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen, Molekularstrahlepitaxie, Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und/oder Atomlagenabscheidung (ALD). Insbesondere kann das Aufbringen beispielsweise ein Abscheiden, z. B. im Falle eines Substrats aus Polysilizium, umfassen.
  • Ein Ätzen und/oder eine Strukturierung kann bevorzugt ausgesucht sein aus der Gruppe umfassend Trockenätzen, nasschemisches Ätzen und/oder Plasmaätzen, insbesondere Reaktives lonenätzen, Reaktives lonentiefenätzen (Bosch-Prozess).
  • Sollte eine weitere Strukturierung der schwingfähigen Membran gewünscht sein, kann diese z. B. durch weitere Ätzprozesse vorgenommen werden. Ebenso kann zusätzliches Material abgeschieden werden oder eine Dotierung durch übliche Verfahren vorgenommen werden.
  • Zur Kontaktierung der Lagen kann zusätzlich geeignetes Material, wie z. B. Kupfer, Gold und/oder Platin durch gängige Prozesse abgeschieden werden. Hierfür können bevorzugt physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder elektrochemische Abscheidung zum Einsatz kommen.
  • Mittels der Prozessschritte kann eine fein strukturierte schwingfähige Membran mit einer gewünschten Definition von vertikalen und horizontalen Abschnitten bereitgestellt werden, welche bevorzugt zwischen zwei Seitenbereich eines stabilen Trägers aufgehangen sind und Abmessungen im Mikrometerbereich aufweist. Die Herstellungsschritte gehören zu Standardverfahrensschritten der Halbleiterprozessierung, sodass diese sich bewährt haben und zudem für eine Massenherstellung geeignet sind.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen MEMS-Wandler wie vorstehend beschrieben, umfassend die folgenden Schritte:
    • Bereitstellen mehrerer einzelner Piezokeramikelemente, umfassend eine Opferlage, eine Lage aus einem leitfähigen Material und eine Lage aus einem piezoelektrischen Material
    • Definition von Löchern für eine Durchkontaktierung in den Piezokeramikelementen und Metallfüllung
    • Stapeln der Piezokeramikelemente und optionales Schneiden (Dicing), sodass ein Stapel von Piezokeramikelementen erhalten wird, welcher durch Metallbrücken verbunden ist
    • Entfernung der Opferlage und Einbringen des Stapels der Piezokeramikelemente in einen Träger, wobei eine Kontaktierung des ersten und letzten Piezokeramikelementes mit jeweils einer Elektrode erfolgt,
    sodass eine schwingfähige Membran, vorzugsweise in Form einer Lamellenstruktur, von einem durch das Substrat gebildeten Träger gehalten wird, wobei die schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung mindestens zwei oder mehr vertikale Abschnitte umfasst, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
  • Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen des beschriebenen MEMS-Wandlers, bevorzugt eines MEMS-Lautsprechers oder MEMS-Mikrofons, auch für das beschriebene Herstellungsverfahren gelten. Vorzugsweise dient das beschriebene Herstellungsverfahren der Bereitstellung eines MEMS-Wandlers mit einer schwingfähigen Membran mit einer Lamellenstruktur, wobei die Lamellen mechanische Bimorphe sind und durch Metallbrücken verbunden vorliegen. Beispiele bevorzugter Herstellungsschritte werden in der Fig. 9 A-F illustriert.
  • In dem alternativen Herstellungsprozess können vorteilhaft mehrere einzelne Piezokeramikelemente verwandt werden, um mittels einer Definition von Löchern, Metallfüllung sowie einem Stapeln und Dicing eine schwingfähige Membran zu erhalten mit Lamellen als vertikale Abschnitte, welche durch Metallbrücken miteinander verbunden sind.
  • Als Piezokeramik werden bevorzugt keramischen Werkstoffe bezeichnet, die unter Einwirkung einer Verformung durch eine äußere Kraft eine Ladungstrennung zeigen bzw. bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Formänderung erfahren. Die Piezokeramikelement umfassen bevorzugt eine piezoelektrische Lage sowie eine Lage aus einem mechanischen Stützmaterial, wie vorgehend beschrieben, sowie darüber hinaus eine Opferschicht.
  • Die Opferschicht dient der Prozessierung und Bereitstellung der Metallbrücken und wird selbst nicht Bestandteil der schwingfähigen Membran sein.
  • Bevorzugt kann es sich bei der Opferlage beispielsweise um einen Photoresist bzw. Fotolacke handeln. Diese Materialien ändern durch Bestrahlung mit Licht, insbesondere UV-Licht, ihre Löslichkeit. Insbesondere kann es sich um einen sogenannten Positivlack handeln, dessen Löslichkeit durch eine UV-Bestrahlung ansteigt. Hierdurch kann die Opferschicht gezielt nach einer Metallfüllung zur Bereitstellung der Metallbrücken entfernt werden.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Die Erfindung soll im Folgenden unter Verweis auf weitere Abbildungen und Beispiele erläutert werden. Die Beispiele und Abbildungen dienen der Illustration bevorzugter Ausführungsform der Erfindung, ohne diese zu beschränken.
    • Kurzbeschreibung der Abbildungen
    • Fig. 1
    Schematische Darstellung eines Querschnittes einer bevorzugten Ausführungsform eines MEMS-Lautsprechers gemäß der Erfindung A: im Ruhestand und B: während der Aktuierung.
    Fig. 2
    Schematische Darstellung eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für einen MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran, welche im Querschnitt eine Mäanderform aufweist.
    Fig. 3, 4
    Schematische Darstellung bevorzugter Ausführungsformen eines MEMS-Lautsprecher mit einer schwingfähigen Membran in Mäanderform, deren horizontalen Abschnitte durch Haltestrukturen gestützt werden.
    Fig. 5
    Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines MEMS-Lautsprechers mit zwei Aktuatorlagen, welche durch eine mittlere Lage aus einem leitfähigen Material getrennt werden.
    Fig. 6
    Schematische Darstellung bevorzugter Ansteuerungen zum Betrieb der MEMS-Lautsprecher
    Fig. 7
    Schematische Darstellung einer bevorzugten Integration eines MEMS-Lautsprechers in der Frontseite eines Gehäuses mit rückseitigem Resonanzvolumen.
    Fig. 8
    Schematische Darstellung eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für einen MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran, welche im Querschnitt eine Mäanderform aufweist, wobei nur die vertikalen Abschnitte eine Lage aus einem Aktuatormaterial aufweisen.
    Fig. 9
    Schematische Darstellung eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für einen MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran auf Basis von einzelnen Piezokeramikelementen.
    Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
  • Figur 1 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform eines MEMS-Lautsprechers gemäß der Erfindung. Fig 1A zeigt einen Ruhezustand, während Fig. 1B zwei Phasen während der Aktuierung des MEMS-Lautsprechers illustriert.
  • Der MEMS-Lautsprecher umfasst eine schwingfähige Membran 1 zur Erzeugung von Schallwellen in eine vertikale Emissionsrichtung, wobei die schwingfähige Membran 1 von einem Träger 4 in horizontaler Lage gehalten wird. Die schwingfähige Membran 1 weist im Querschnitt eine Mäanderstruktur auf mit horizontalen 3 und vertikalen Abschnitten 2. Die vertikalen Abschnitte sind parallel zur Emissionsrichtung ausgebildet und weisen mindestens eine Aktuatorlage auf, beispielsweise eine Lage aus einem piezoelektrischen Material. Eine Kontaktierung der schwingfähigen Membran 1 und der Aktuatorlage erfolgt bevorzugt mittels Elektroden endseitig. Zudem Zweck kann sich beispielsweise auf dem Träger 4 ein Elektrodenpad (nicht gezeigt) befinden.
  • Bevorzugt handelt es sich bei den vertikalen Abschnitten um mechanische Bimorphe, welche durch geeignete Ansteuerungen zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können. Zu diesem Zweck können die vertikalen Abschnitte 2 beispielsweise eine erste Lage aus einem Aktuatormaterial und eine zweite Lage aus einem mechanischen Stützmaterial umfassen. Durch Ansteuerung der Aktuatorlage kann ein Stressgradient und mithin eine Wölbung bzw. Schwingung generiert werden. Ebenso kann es auch bevorzugt sein, dass die vertikalen Abschnitte 2 zwei Aktuatorlagen umfassen, welche gegenläufig angesteuert werden, um durch entsprechende relative Formänderung eine Wölbung der vertikalen Abschnitte 2 zu bewirken.
  • Figur 1B illustriert beispielhaft zwei Phasen während einer Aktuierung. Vorteilhaft kann durch die Mehrzahl der vertikalen Abschnitten 2 der schwingfähigen Membran 1 mit geringen horizontalen Bewegungen (Wölbung) von wenigen Mikrometer eine vergrößertes Gesamtvolumen in die vertikale Emissionsrichtung bewegt und so zur Schallerzeugung genutzt werden. Die Aktuierung erlaubt hierbei eine besonders effiziente Umsetzung, da während einer Phase nahezu das gesamte Luftvolumen zwischen den vertikalen Abschnitten entlang der Emissionsrichtung nach oben oder unten bewegt werden kann.
  • Figur 2 zeigt schematisch ein bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Bereitstellung eines MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran 1, welche im Querschnitt eine Mäanderform aufweist. Eine schwingfähige Membran mit einer Mäanderform im Querschnitt kann auch bevorzugt als gefaltete Membran oder Faltenbalg bezeichnet werden.
  • Fig. 2A zeigt ein Ätzen des Substrats 8 von einer Ober- bzw. Vorderseite zur Ausbildung einer Strukturierung. In dem Verfahrensschritt werden parallele tiefe Trenches (Taschen) in das Substrat 8 geätzt. Die abgeformte Struktur stellt einen Faltenbalg bzw. im Querschnitt einen Mäander dar.
  • Anschließend wird eine Lage eines Ätzstop 9 (Fig. 2B) aufgetragen, wobei es sich beispielsweise um TEOS oder PECVD handeln kann. Auf den Ätzstop 9 wird eine Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 10 (Fig. 2C) und eine Lage aus einem Aktuatormaterial 11 aufgetragen Bei dem mechanischen Stützmaterial 10 kann es sich z.B. um dotiertes Polysilizium handeln, während für das Aktuatormaterial 10 beispielsweise ein piezoelektrisches Material verwandt werden kann. Als Schichtdicken können beispielsweise 1 µm bevorzugt sein. Bevorzugt kann das piezoelektrische Material eine C-Axis Orientierung senkrecht zur Oberfläche aufweisen, sodass ein transversaler piezoelektrische Effekt genutzt wird. Auch andere Orientierungen und beispielsweise die Ausnutzung eines longitudinalen Effekts können bevorzugt sein.
  • Fig. 2E zeigt das bevorzugte Auftragen einer ganzflächigen Top-Elektrode als eine Lage aus einem leitfähigen Material 12. Eine endseitige Kontaktierung kann beispielsweise mittels eines Elektrodenpads 13 erfolgen (Fig. 2 F).
  • Fig. 2F und 2G illustrieren ein weiteres Ätzen des Substrates 8 von der Rückseite bzw. Unterseite, und die Entfernung des Ätzstops.
  • Durch die Herstellungsschritte 2A-G wird somit eine schwingfähige Membran 1 erhalten, welche im Querschnitt eine Mäanderstruktur aufweist. Vorteilhaft erlaubt eine durchgängige Aktuatorlage 11 und die Bereitstellung endseitiger Kontaktierungen 13 eine effiziente Aktuierung der vertikalen Abschnitte 2 zu horizontalen Schwingungen (vgl. Fig. 1). Wie in Fig. 2G ersichtlich erfolgt bevorzugt eine Ansteuerung mittels zweier Elektroden, so wird die Aktuatorlage 12 bevorzugt sowohl von einer Frontseite (Top-Elektrode, leitfähige Schicht 12) als auch von einer Rückseite (Bottom-Elektrode, über leifähiges mechanisches Stützmaterial 10) kontaktiert (vgl. Fig. 6A).
  • Zur Stabilisierung der zwischen den Seitenwänden des Trägers 4 aufgehangenen Membran 1 können Haltestrukturen 14 vorgesehen sein. Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, können diese bevorzugt horizontalen Abschnitte 3 der schwingfähigen Membran 1 stützen. Vorteilhaft sind die horizontalen Abschnitte 3 mechanisch neutral (vgl. Fig 1B), sodass während der Aktuierung keine unerwünschten Spannungen zwischen Membran 1 und Haltestruktur 14 bzw. Träger 4 induziert werden.
  • Fig. 5 illustriert eine bevorzugte alternative Ausführungsform eines MEMS-Lautsprechers wobei die schwingfähigen Membran 1 zwei Aktuatorlagen umfasst, welche durch eine mittlere Lage aus einem leitfähigen Material 12, bevorzugt Metall, getrennt werden. Die mittlere Lage ist mit einem ersten endseitigen Elektrodenpad 13 verbunden, während in der gezeigten Ausführungsform die obere Aktuatorlage 11 über eine weitere Lage aus einem leitfähigem Material 12 mit einem zweiten endseitigen Elektrodenpad 13 kontaktiert vorliegt.
  • Fig. 6 illustriert bevorzugte Ansteuerungen zum Betrieb der beschriebenen MEMS-Lautsprecher.
  • In Fig. 6A ist eine bevorzugte Ansteuerung für einen MEMS-Lautsprecher mit einer Aktuatorlage 11 und einer passiven mechanischen Stützlage 10 gezeigt. Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung mittels zweier endseitiger Elektrodenpads 13, sodass die horizontalen Schwingungen durch eine Formänderung des Aktuatormaterials gegenüber dem mechanischen Stützmaterial erzeugbar sind. Die Aktuatorlage 11 wird bevorzugt sowohl von einer Frontseite (Top-Elektrode 13, leitfähige Schicht 10) als auch von einer Rückseite (Bottom-Elektrode 13, leifähiges mechanisches Stützmaterial 10) kontaktiert. Eine Wechselspannung als Audioinput-Signal kann beispielsweise auf dem vorderseitigem Elektrodenpad 13 (links) angelegt, während das rückseitige Elektrodenpad 13 (rechts) geerdet vorliegt.
  • In Fig. 6B ist eine bevorzugte Ansteuerung für einen MEMS-Lautsprecher mit zwei Aktuatorlagen 11 gezeigt, welche durch eine mittlere Lage aus einem leitfähigen Material 12, bevorzugt Metall, getrennt werden.
  • Eine obere Aktuatorlage 11 wird bevorzugt von einer Frontseite (Top-Elektrode 13 und obere leitfähige Schicht 12) sowie der mittleren leitfähigen Lage 12 angesteuert. Eine untere Aktuatorlage 11 wird bevorzugt von einer Rückseite (Bottom-Elektrode 13 und untere leitfähige Schicht 12) sowie der mittleren leitfähigen Lage 12 angesteuert wird. In der illustrierten Ausführungsform kann eine Wechselspannung als Audioinput-Signal beispielsweise auf den für die Top- und Bottom-Elektrodenpads 13 (links) angelegt werden, während die mittlere Lage 12 über ein weiteres Elektrodenpad 13 (rechts) geerdet vorliegt.
  • Fig. 7 zeigt beispielhaft eine bevorzugte Integration eines MEMS-Lautsprechers gemäß der Erfindung in einem Gehäuse 15. Bevorzugt liegt die von dem Träger 4 gehaltene schwingfähige Membran 1 in einer Frontseite bzw. Vorderseite eines Gehäuses (sound port) angeordnet. Das Gehäuse umschließt zudem ein rückseitiges Resonanzvolumen (back volumen 16). Eine Ventilationsöffnung 17 kann zur Vermeidung akustischer Kurzschlüsse oder zur Unterstützung des Klangbildes eingebracht werden.
  • Fig. 8 illustriert ein alternatives Herstellungsverfahren zur Bereitstellung eines MEMS-Lautsprechers mit einer erfindungsgemäßen schwingfähigen Membran 1. Die in Figuren 8A-D gezeigten Verfahrensschritte sind analog zur Fig. 2.
  • Fig. 8A zeigt ein Ätzen des Substrats 8 von einer Ober- bzw. Vorderseite zur Ausbildung einer Strukturierung, vorzugsweise einer Mäanderstruktur. In dem Verfahrensschritt werden parallele tiefe Trenches (Taschen) in das Substrat 8 geätzt. Die abgeformte Struktur stellt einen Faltenbalg bzw. im Querschnitt einen Mäander dar.
  • Anschließend wird eine Lage eines Ätzstop 9 (Fig. 2B) aufgetragen, wobei es sich beispielsweise um TEOS oder PECVD handeln kann. Auf den Ätzstop 9 wird eine Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 10 (Fig. 2C) und einem Aktuatormaterial 11 aufgetragen Bei dem mechanischen Stützmaterial 10 kann es sich z.B. um dotiertes Polysilizium handeln, während für das Aktuatormaterial 12 bevorzugt ein piezoelektrisches Material verwandt wird.
  • Im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird die Aktuatorlage 11 nicht als durchgängige Lage mit einer oberen leitfähigen Schicht kontaktiert. Stattdessen erfolgt eine Spacer-Ätzung (Fig. 8F) der Aktuatorlage 11 in den horizontalen Abschnitten der Membran, sodass nur noch die vertikalen Abschnitte der Membran eine Lage aus einem Aktuatormaterial 11 aufweisen.
  • Im Anschluss wird bevorzugt eine durchgängige dielektrische Lage 18 zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen später aufzubringenden oberen und unteren Elektrode aufgetragen (Fig. 8G). Eine durchgängige leitfähige Lage als Top-Elektrode 12 erlaubt eine vorderseitige Kontaktierung (Fig. 8H).
  • Fig. 8I und 8J illustrieren ein weiteres Ätzen des Substrates 8 von der Rückseite bzw. Unterseite und optional das Auftragen einer durchgängigen leitfähigen Lage 12 als Rückseitenelektrode.
  • Fig. 9 illustriert ein bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Bereitstellung eines MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran auf Basis von einzelnen Piezokeramiken.
  • Zunächst werden mehrerer einzelner Piezokeramikelemente 19, umfassend eine Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 10 (z.B. dotiertem Polysilizium) und eine Lage aus einem piezoelektrischen Material 11 sowie einer Opferlage 20 bereitgestellt (vgl. Fig. 9A und 9B). Bei der Opferlage 20 kann es sich beispielsweise um einen Photoresist (Photolack) handeln.
  • Im Anschluss erfolgt eine Definition von Löchern für eine Durchkontaktierung und Metallfüllung 21 (vgl. Fig. 9 C), Die Piezokeramikelemente 19 werden gestapelt (Fig. 9 D) und geschnitten (Dicing 22 , Fig. 9E), sodass zwei oder mehr Stapel von Piezokeramikelementen 19 erhalten werden, welcher durch Metallbrücken 21 verbunden sind (vgl. Fig. 9E).
  • Nach Entfernung der Opferlage 20 (Fig. 9F) erfolgt ein Einbringen der gestapelten Piezokeramikelemente 19 in einen Träger 4, wobei bevorzugt eine Kontaktierung des ersten und letzten Piezokeramikelementes mit jeweils einer Elektrode 13 erfolgt (Fig. 9G).
  • Auf diese Weise wird ebenfalls eine schwingfähige Membran 1 zwischen einem Träger 4 erhalten, welche zur Erzeugung von Schallwellen in eine vertikale Emissionsrichtung mindestens zwei oder mehr vertikale Abschnitte 2 umfasst, welche parallel zur Emissionsrichtung ausgebildet sind und zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können.
  • Das Aktuatorprinzip basiert bevorzugt auch hier auf einer relativen Formänderung der Aktuatorlage 11 gegenüber der mechanischen Stützschicht 10. Eine durchgängige Aktuatorlage ist hierzu nicht notwendig. Eine Kontaktierung sämtlicher vertikaler Abschnitte 2 durch endseitige Ansteuerung wird durch die Metallbrücken 23 gewährleistet.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Schwingfähige Membran
    2
    Vertikale Abschnitte der schwingfähigen Membran
    3
    Horizontale Abschnitte der schwingfähigen Membran
    4
    Träger
    5
    Luftvolumina zwischen den vertikalen Abschnitten
    8
    Substrat
    9
    Ätzstopp
    10
    Lage aus einem mechanischem Stützmaterial, bevorzugt dotiertem Polysilizium
    11
    Lage aus einem Aktuatormaterial (Aktuatorlage), bevorzugt aus einem piezoelektrischem Material
    12
    Lage aus einem leitfähigem Material, bevorzugt aus Metall
    13
    Kontaktierung der Elektrode, bevorzugt Elektrodenpad
    14
    Haltestrukturen
    15
    Gehäuse
    16
    rückseitiges Resonanzvolumen
    17
    Ventilationsöffnung
    18
    Lage aus einem dielektrischen Material
    19
    Piezokeramikelement(e)
    20
    Opferlage
    21
    Definierte Löcher für eine Durchkontaktierung mit Metallfüllung
    22
    Schneiden (Dicing)
    23
    Metallbrücken
    LITERATUR
    • F. Stoppel, C. Eisermann, S. Gu-Stoppel, D. Kaden, T. Giese and B. Wagner, NOVEL MEMBRANE-LESS TWO-WAY MEMS LOUDSPEAKER BASED ON PIEZOELECTRIC DUAL-CONCENTRIC ACTUATORS, Transducers 2017, Kaohsiung, TAIWAN, June 18-22, 2017.
    • Iman Shahosseini, Elie LEFEUVRE, Johan Moulin, Marion Woytasik, Emile Martincic, et al. Electromagnetic MEMS Microspeaker for Portable Electronic Devices. Microsystem Technologies, Springer Verlag (Germany), 2013, pp.10. <hal-01103612>.
    • Bert Kaiser, Sergiu Langa, Lutz Ehrig, Michael Stolz, Hermann Schenk, Holger Conrad, Harald Schenk, Klaus Schimmanz und David Schuffenhauer, Concept and proof for an all-silicon MEMS microspeaker utilizing air chambers.

Claims (15)

  1. MEMS-Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids umfassend
    - einen Träger (4),
    - eine schwingfähige Membran (1) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung, wobei die schwingfähige Membran (1) von dem Träger (4) gehalten wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die schwingfähige Membran (1) zwei oder mehr vertikale Abschnitte (2) aufweist, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial (11) umfassen, wobei die schwingfähige Membran (1) endseitig mit mindestens einer Elektrode (13) kontaktiert vorliegt,
    sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode (13) die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
  2. MEMS-Wandler gemäß dem vorherigen Anspruch
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der MEMS-Wandler ein MEMS-Lautsprecher ist, wobei bevorzugt zwischen den vertikalen Abschnitten (2) Luftvolumina (5) vorliegen, welche durch die horizontalen Schwingungen zur Erzeugung von Schallwellen entlang einer vertikalen Emissionsrichtung bewegt werden oder der MEMS-Wandler ein MEMS-Mikrofon ist, wobei bevorzugt zwischen den vertikalen Abschnitten (2) Luftvolumina (5) vorliegen, welche bei Aufnahme von Schallwellen entlang einer vertikalen Detektionsrichtung bewegt werden.
  3. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zwei oder mehr vertikale Abschnitte (2) mindestens zwei Lagen umfassen, wobei eine Lage (11) ein Aktuatormaterial und eine zweite Lage (10) ein mechanisches Stützmaterial umfasst, wobei mindestens die Lage (11) umfassend das Aktuatormaterial mit einer Elektrode (13) kontaktiert vorliegt,
    sodass horizontale Schwingungen durch eine Formänderung derAktuatormaterials gegenüber dem mechanischen Stützmaterial erzeugbar sind oder
    sodass horizontale Schwingungen zu einer Formänderung des Aktuatormaterials gegenüber dem mechanischen Stützmaterial führen und ein elektrisches Signal erzeugen
  4. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) mindestens zwei Lagen umfassen, wobei beide Lagen (11) ein Aktuatormaterial umfassen und mit jeweils einer Elektrode (13) kontaktiert vorliegen und
    die horizontalen Schwingungen durch eine Formänderung der einen Lage gegenüber der anderen Lage erzeugbar sind oder
    horizontale Schwingungen zu einer Formänderung der einen Lage gegenüber der anderen Lage führen und ein elektrisches Signal erzeugen.
  5. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Träger (4) zwei Seitenbereiche umfasst zwischen welchen die schwingfähige Membran (1) in horizontaler Richtung angeordnet vorliegt
    und/oder
    der Träger (4) aus einem Substrat (8) gebildet wird, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus monokristallinem Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, Siliziumgermanium, Siliziumnitrid, Nitrid, Germanium, Kohlenstoff, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Indiumphosphid und Glas.
  6. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die schwingfähige Membran (1) durch eine Lamellenstruktur oder Mäanderstruktur gebildet wird.
  7. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die schwingfähige Membran (1) durch eine Mäanderstruktur gebildet wird mit abwechselnden vertikalen (2) und horizontalen (3) Abschnitten, wobei an mindestens zwei der horizontalen Abschnitte (3) Haltestrukturen (14) angebracht vorliegen, welche mittelbar oder unmittelbar mit dem Träger (4) verbunden sind.
  8. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Aktuatormaterial ein piezoelektrisches Material, ein Polymer Piezoelectrical Material und/oder elektroaktive Polymere (EAP) umfasst, wobei das piezoelektrisch Material bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Aluminiumnitrid (AIN) und Zinkoxid (ZnO).
  9. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die schwingfähige Membran (1) drei Lagen umfasst, wobei eine obere Lage (12) von einem leitfähigen Material gebildet wird, eine mittlere Lage (11) vom einem Aktuatormaterial gebildet wird und eine untere Lage (12) von einem leitfähigen Material gebildet wird, wobei das leitfähige Material der oberen und/oder untere Lage bevorzugt ein mechanisches Stützmaterial ist.
  10. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die schwingfähige Membran (1) zwei Lagen (11) aus einem Aktuatormaterial umfasst, welche durch eine mittlere Lage (12) aus einem leitfähigen Material, bevorzugt Metall, getrennt werden, wobei die mittlere Lage (12) mit einer ersten Elektrode (13) verbunden vorliegt und mindestens eine der beiden Lagen (11) aus einem Aktuatormaterial über eine weitere Lage (12) aus einem leitfähigem Material, bevorzugt einem Metall, mit einer zweiten Elektrode (13) kontaktiert vorliegen.
  11. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die vertikalen Abschnitte (2) der schwingfähigen Membran (1) zwei Lagen umfassen, wobei eine erste Lage (11) aus einem Aktuatormaterial besteht, eine zweite Lage (10) aus einem leifähigen Stützmaterial besteht und wobei die vertikalen Abschnitten (2) über horizontale Metallbrücken (23) verbunden vorliegen.
  12. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die schwingfähige Membran (1) mit einer Lage aus einem Antihaftmaterial beschichtet ist.
  13. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die von dem Träger (4) gehaltene schwingfähige Membran (1) in einer Frontseite eines Gehäuses (15) angeordnet vorliegt, welches ein rückseitiges Resonanzvolumen (16) umschließt, wobei in dem Gehäuse (15) bevorzugt eine Ventilationsöffnung (17) vorliegt zur Vermeidung akustischer Kurzschlüsse und/oder zur Unterstützung des Klangbildes.
  14. Herstellungsverfahren für einen MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche umfassend die folgenden Schritte:
    - Ätzen eines Substrats (8), vorzugsweise von einer Vorderseite, zur Ausbildung einer Strukturierung, vorzugsweise einer Mäanderstruktur
    - Optionales Auftragen eines Ätzstops
    - Aufbringen mindestens zweier Lagen, wobei mindestens eine erste Lage (11) ein Aktuatormaterial und eine zweite Lage (10) ein mechanischen Stützmaterial umfassen oder mindestens zwei Lagen (11) ein Aktuatormaterial umfassen
    - Kontaktieren der ersten und/oder zweiten Lage mit einer Elektrode (13)
    - Ätzen, vorzugsweise von der Rückseite, und optionale Entfernung des Ätzstops,
    sodass eine schwingfähige Membran (1), vorzugsweise in Form einer Mäanderstruktur, von einem durch das Substrat (8) gebildeten Träger (4) gehalten wird, wobei die schwingfähige Membran (1) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung mindestens zwei oder mehr vertikale Abschnitte (2) umfasst, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode (13) die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder
    sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
  15. Herstellungsverfahren für einen MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1-13 umfassend die folgenden Schritte:
    - Bereitstellen mehrerer einzelner Piezokeramikelemente (19), umfassend eine Opferlage (20), eine Lage (12) aus einem leitfähigen Material und eine Lage (11) aus einem piezoelektrischen Material
    - Definition von Löchern (21) für eine Durchkontaktierung in den Piezokeramikelementen und Metallfüllung
    - Stapeln der Piezokeramikelemente (19) und optionales Schneiden (Dicing) (22), sodass ein Stapel von Piezokeramikelementen (19) erhalten wird, welcher durch Metallbrücken (23) verbunden ist
    - Entfernung der Opferlage (29) und Einbringen des Stapels der Piezokeramikelemente (19) in einen Träger (4), wobei eine Kontaktierung des ersten und letzten Piezokeramikelementes (19) mit jeweils einer Elektrode (13) erfolgt,
    sodass eine schwingfähige Membran (1), vorzugsweise in Form einer Lamellenstruktur, von einem durch das Substrat (8) gebildeten Träger (4) gehalten wird, wobei die schwingfähige Membran (1) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung mindestens zwei oder mehr vertikale Abschnitte (2) umfasst, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode (13) die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder
    sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
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