EP3852391B1 - Mems-lautsprecher mit erhöhter leistungsfähigkeit - Google Patents

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EP3852391B1
EP3852391B1 EP20168836.3A EP20168836A EP3852391B1 EP 3852391 B1 EP3852391 B1 EP 3852391B1 EP 20168836 A EP20168836 A EP 20168836A EP 3852391 B1 EP3852391 B1 EP 3852391B1
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EP
European Patent Office
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layer
actuator
mems
electrode
vertical sections
Prior art date
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EP20168836.3A
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English (en)
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EP3852391A1 (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 PCT/EP2021/050766 priority patent/WO2021144400A1/de
Priority to KR1020227027423A priority patent/KR20220130720A/ko
Priority to US17/758,923 priority patent/US11800294B2/en
Priority to CN202180016496.XA priority patent/CN115280797A/zh
Priority to JP2022542931A priority patent/JP2023511538A/ja
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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the invention relates to a MEMS transducer which comprises an oscillating membrane for generating or receiving pressure waves of a fluid in a vertical direction, wherein the oscillating membrane is held by a carrier and the oscillating membrane has two or more vertical sections which are formed parallel to the vertical direction and comprise at least one layer of an actuator material.
  • the oscillating membrane is preferably contacted at the end with an electrode, so that by controlling the at least one electrode the two or more vertical sections can be excited to horizontal oscillations or so that when the two or more vertical sections are excited to horizontal oscillations an electrical signal can be generated at the at least one electrode.
  • microsystem technology is now used in many areas of application to produce compact, mechanical-electronic devices.
  • the microsystems microelectromechanical systems , MEMS
  • MEMS microelectromechanical systems
  • MEMS transducers such as MEMS loudspeakers or MEMS microphones
  • MEMS loudspeakers are also known from the state of the art.
  • Current MEMS loudspeakers are usually designed as planar membrane systems with a vertical actuation of an oscillating membrane in the emission direction. The excitation takes place, for example, using piezoelectric, electromagnetic or electrostatic actuators.
  • the MEMS loudspeaker features a stiffening silicon microstructure as a sound radiator, with the moving part suspended from a support via silicon drive springs to enable large out-of-plane displacements using an electromagnetic motor.
  • the vibration membrane is not closed, but comprises eight piezoelectric unimorph actuators, each consisting 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 that are connected to a rigid frame by means of a spring. The separation of the membrane is intended to allow an improved sound image with higher performance.
  • planar MEMS loudspeakers are their limitation in terms of sound output, especially 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 membranes of at least 100 ⁇ m or large-area membranes in the square centimeter range are necessary. Both conditions are difficult to achieve 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, respectively.
  • the MEMS loudspeaker comprises a plurality of electrostatic bending actuators, which are arranged as vertical lamellae between a cover and a base wafer and can be excited to lateral vibrations by appropriate control.
  • An inner lamella forms an actuator electrode opposite two outer lamellae. Except for a connecting node of electrodes that are still galvanically separated, there is an air gap between the three curved lamellae. If a potential is applied inside to outside, this leads to a bilateral attraction due to the curvature of the design in the direction of a preferred direction, which is specified by an anchor.
  • the bulges in the outer lamellae serve to facilitate mobility.
  • the restoring force is provided by a mechanical spring force. 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 thus the sound power is 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, wherein the front and rear chambers are separated from one another by means of a folded membrane.
  • the folded membrane has a rectangular meander structure with horizontal and vertical sections in cross section. Piezo actuators are positioned on the respective horizontal sections in order to cause a lateral movement of the vertical sections by a synchronized stretching or compression of the horizontal sections.
  • the disadvantage is the increased effort required for the synchronized drive of the piezo actuators.
  • a piezoelectric loudspeaker is known in which two piezoelectric films are formed into a diaphragm with an accordion shape.
  • the diaphragm is folded and clamped laterally by a wave-shaped pair of plates, which are fixed, for example, by means of screw connections and stabilize the vibrating diaphragm as a composite side frame.
  • Electrode lines are arranged in the plate pair or side frame to control the electrodes.
  • the plate pair can also be formed at least partially from a conductive material.
  • the macroscopic piezoelectric loudspeaker US 2002/006208 A1 and JP3 919695 B2 is obtained in an assembly process that cannot be miniaturized in an obvious way to obtain a MEMS loudspeaker.
  • the intended clamping of the diaphragm in a two-part side frame, the structured application of several electrodes on wave crests and troughs of the diaphragm or the connection of the electrodes with electrode lines in the side frame cannot be transferred to a MEMS process.
  • the object of the invention is to provide a MEMS converter, in particular a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, as well as a method for producing the MEMS converter, which do not have the disadvantages of the prior art.
  • the design of the MEMS loudspeaker makes it possible to obtain a MEMS loudspeaker with high sound power and simplified control.
  • 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 to generate sufficient sound pressure. Instead, the majority of the vertical sections of the vibrating 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 oscillating membrane can instead be obtained in MEMS design using simple manufacturing steps, as explained in more detail below.
  • the actuator principle according to the invention avoids pull-in or gluing of the vertical sections.
  • the one-sided electrodes do not result in any potential differences in a gap between the vertical sections.
  • this can also reduce dust accumulation, since, for example, an external electrode can be set to a ground potential.
  • MEMS loudspeaker Another special advantage of the MEMS loudspeaker described is the simplified control. While in the US 2019 / 011 64 17 A1 a large number of piezoelectric actuators must be contacted at the horizontal sections, the proposed MEMS loudspeaker can be operated using 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 vibrations.
  • a "MEMS loudspeaker” preferably refers to a loudspeaker which is based on MEMS technology and whose sound-generating structures at least partially have dimensions in the micrometer range (1 ⁇ m to 1000 ⁇ m).
  • the vertical sections of the vibratable membrane can have a dimension in the range of less than 1000 ⁇ m in terms of width, height and/or thickness. It can also be preferred 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 vibrating membrane can be used advantageously not only to create a MEMS loudspeaker with high sound output and simplified control, but also 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 vibrating membrane.
  • the MEMS microphone is designed to record sound pressure waves in the same vertical direction.
  • there are therefore air volumes between the vertical sections which are moved along a vertical detection direction when sound waves are recorded.
  • the sound pressure waves excite the vertical sections to horizontal vibrations, so that the actuator material generates a corresponding periodic electrical signal.
  • a "MEMS microphone” preferably refers to a microphone that is based on MEMS technology and whose sound-recording structures at least partially have dimensions in the micrometer range (1 ⁇ m to 1000 ⁇ m).
  • the vertical sections of the vibratable membrane can have a dimension in the range of less than 1000 ⁇ m in terms of width, height and/or thickness. It can also be preferred 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 therefore refers to both a MEMS microphone and a MEMS loudspeaker.
  • a MEMS converter is a converter for interacting with a volume flow of a fluid that is based on MEMS technology and whose structures for interacting with the volume flow or for absorbing or generating pressure waves of the fluid have dimensions in the micrometer range (1 ⁇ m to 1000 ⁇ m).
  • the fluid can be either a gaseous or a liquid fluid.
  • the structures of the MEMS converter, in particular the vibrating membrane, are designed to generate or absorb pressure waves of the fluid.
  • the MEMS converter can be sound pressure waves.
  • the MEMS converter can 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 alternating sound pressures) into electrical signals or vice versa (conversion of electrical signals into pressure waves, e.g. acoustic signals).
  • the MEMS converter as an energy harvester are also possible, using pneumatic or hydraulic alternating pressures.
  • the electrical signal can be dissipated as generated electrical energy, stored or fed to other (consumer) devices.
  • End preferably means a positioning of the at least one electrode so that contact can be made with electronics, e.g. with a current or voltage source in the case of a MEMS loudspeaker, at one end of the vibratable membrane, preferably at an end at which the membrane is suspended from the carrier.
  • Electrode preferably means an area made of a conductive material (preferably a metal) which is set up for such contact with electronics, e.g. with 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 for contacting electronics and is itself connected to a conductive metal layer which can extend over the entire surface of the vibratable membrane.
  • the conductive layer together with an electrode pad is referred to below as an electrode, for example as a top electrode or bottom electrode.
  • the MEMS converter comprises two end electrodes.
  • the contact with electronics e.g. a current or voltage source, can be made with the electrodes at opposite ends of the vibratable membrane, between which the two or more vertical sections are present, so that the actuator position(s) in the vertical sections can be controlled by means of the end electrodes.
  • the end-side provision of the electrodes is therefore 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 therefore preferably comprises exactly one or exactly two electrodes for end-side contact and no further electrodes (pads) for contacting central vertical sections.
  • the layer of actuator material in the vertical sections serves as a component of a mechanical biomorph, wherein a lateral curvature of the vertical sections is caused by controlling the actuator layer via the electrode or wherein a corresponding electrical signal is generated by an induced lateral curvature.
  • the two or more vertical sections have at least two layers, wherein one layer comprises an actuator material and a second layer comprises a mechanical support material, and wherein at least the layer comprises the actuator material and is contacted with an end electrode, so that the horizontal vibrations can be generated by a change in shape of the actuator material relative to the mechanical support material.
  • the mechanical bimorph is formed by a layer of actuator material (e.g. a piezoelectric material) and a passive layer, which acts as a mechanical support layer. Both a transverse and a longitudinal piezo effect can be used for the bending.
  • the actuator layer When the actuator layer is activated, it can, for example, experience a transverse or longitudinal stretching or compression. This creates a stress gradient in relation to the mechanical support layer, which leads to a lateral curvature or vibration. As shown in the Fig.1 As illustrated, by alternating polarity at the electrodes, a push-pull operation can preferably be achieved, whereby almost the entire air volume can be moved alternately between the vertical sections in the vertical emission direction.
  • the advantage of the actuator principle is 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, shearing) of the actuator layer compared to a support layer, sticking of the membrane sections can be ruled out. Instead, the vertical sections can finally touch each other and are therefore not restricted in their deflection.
  • the two or more vertical sections comprise at least two layers, wherein both layers comprise an actuator material and are contacted with electrodes at each end, and the horizontal vibrations can be generated by a change in shape of one layer relative to the other layer.
  • the horizontal vibration of the vertical sections is therefore not generated by a stress gradient between an active actuator layer and a passive support layer, but by a relative change in shape of two active actuator layers.
  • the actuator layers can consist of the same actuator material and be controlled differently.
  • the actuator layers can also consist of different actuator materials, for example 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 shape, for example stretches. undergoes compression or shearing or, conversely, generates an electrical voltage under deformation.
  • the actuator material can be a piezoelectric material, a polymer piezoelectrical material and/or electroactive polymers (EAP).
  • EAP electroactive polymers
  • the piezoelectric material is selected from a group comprising lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AIN) and zinc oxide (ZnO).
  • PZT lead zirconate titanate
  • AIN aluminum nitride
  • ZnO zinc oxide
  • Polymer piezoelectric materials preferably include polymers that 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) undergo a change in shape (e.g. compression, stretching or shearing).
  • An example of a preferred piezoelectric polymer material is polyvinylidene fluoride.
  • a polymer piezoelectrical material layer is applied to a mechanical support layer and wound over an upper and lower comb.
  • a polymer piezoelectrical material layer including electrode
  • a support layer possibly including a counter electrode
  • An upper and lower comb preferably a MEMS structure
  • 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 the 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, coated with an electrically conductive layer.
  • the mechanical support material is particularly preferably monocrystalline silicon, a polysilicon or a doped polysilicon.
  • the actuator layer 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.
  • doped polysilicon as mechanical support material and
  • a piezoelectric material such as PZT or AIN, essentially equal thicknesses, preferably between 0.5 ⁇ m and 2 ⁇ m, have 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 curvatures or vibrations may be preferred.
  • the vibratable membrane therefore comprises at least one layer 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 direction specifications vertical and horizontal (or lateral) preferably refer to a preferred direction in which the vibratable membrane is aligned to generate or record pressure waves of the fluid.
  • the vibratable membrane is suspended horizontally between at least two side regions of a support, while the vertical direction (interaction direction with the fluid) for generating or recording pressure waves is orthogonal to it.
  • the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound emission direction of the MEMS loudspeaker.
  • vertical preferably means the direction of sound emission
  • horizontal means a direction orthogonal to this.
  • 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 to this.
  • the vertical sections of the vibratable membrane thus preferably refer to 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 vibrating membrane is preferably aligned horizontally to the sound emission direction or sound detection direction, the sound waves are generated by actuating the vertical sections or vice versa detected.
  • the carrier comprises two side regions between which the vibratable membrane is arranged in a 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 free flat area.
  • the frame structure is preferably stable and rigid.
  • the individual side areas which preferably essentially form the frame structure are called side walls in particular.
  • the oscillating membrane is preferably held by at least two side walls of the carrier.
  • the two side walls can be seen in cross-section.
  • the support comprises four side areas, with additional end faces usually parallel to the drawn cross-section. These two additional side walls span the frame structure.
  • the oscillating membrane is preferably suspended flat within the free surface.
  • the flat spread of the oscillating membrane characterizes a horizontal direction, while the vertical sections are orthogonal to this.
  • the membrane can be attached to these side walls or slit there for greater mobility.
  • the slit can advantageously represent a dynamic high-pass filter, which, for example, couples a front volume and a rear volume with 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 converter comprising an oscillating membrane together with a carrier is manufactured in a semiconductor process, preferably on a wafer. This further simplifies and reduces the cost of production, so that a compact and robust MEMS converter can be provided cost-effectively.
  • the oscillating membrane is formed by a lamellar structure or meander structure.
  • the specification of a lamellar or meander structure refers to the shape of the oscillating membrane in cross section.
  • a lamellar structure preferably refers to an arrangement of similar, parallel layers, which preferably form the vertical sections.
  • the individual lamellae are preferably arranged with their surface parallel to the vertical direction, preferably an emission or Detection direction.
  • the lamellae are constructed in multiple layers and form a mechanical biomorph.
  • the lamellae can each comprise 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 surface is greater than in a dimension perpendicular to this (the thickness).
  • size ratios of at least 2:1, preferably at least 5:1, 10:1 or more may be preferred.
  • the vibratable membrane preferably has a plurality of lamellae which form the vertical sections. For example, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 or more lamellae may be preferred. This achieves a high level of efficiency for a desired sound emission or sound detection in a very small space.
  • the vibrating 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 oscillating membrane.
  • the conductive bridges advantageously allow all lamellae to be contacted using electrodes at the end. The lamellae can thus be excited synchronously with horizontal vibrations or detect them with little control and manufacturing effort.
  • a meander structure preferably refers to 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 vibratable membrane.
  • the meander structure is particularly preferably rectangular in cross-section.
  • the meander structure thus preferably corresponds to a membrane folded along the width.
  • a vibratable 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, analogous to the lamellae described above.
  • the vertical sections are preferably constructed in multiple layers and form a mechanical biomorph.
  • the vertical sections can each comprise 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. among others Fig. 3-7 ). However, it may 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 of actuator material of the oscillatable membrane is a continuous layer.
  • Continuous preferably means that there is no interruption 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 transducer can be significantly determined by the number and/or dimensions 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 less than 10,000, 5,000, 2,000, or 1,000 or fewer vertical sections.
  • the preferred number of vertical sections results in high sound power on the smallest chip surfaces without compromising the sound image or audio quality.
  • the vertical sections are flat, which means in particular that their extension in each of the two dimensions (height, width) of their surface 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 may be preferred.
  • the height of the vertical sections preferably corresponds to the dimension along the direction of 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, height and thickness are shown schematically (not necessarily to scale), while the dimension of the length corresponds to a (non-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 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, 600 ⁇ m to 700 ⁇ m, 700 ⁇ m to 800 ⁇ m, 800 ⁇ m to 900 ⁇ m or even 900 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • the aforementioned range limits can also be combined to obtain further preferred ranges, such as 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 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 even 9 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the aforementioned range limits can also be combined to obtain further preferred ranges, such as 500 nm to 3 ⁇ m, 1 ⁇ m to 5 ⁇ m or even 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 ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, such as 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 even 8 mm to 10 mm.
  • the aforementioned range limits can also be combined to obtain further preferred ranges, such as 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, 500 ⁇ m to 5 ⁇ m or even 1 mm to 5 mm.
  • a particularly compact MEMS transducer in particular MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be provided, which simultaneously combines high performance with excellent sound or audio quality.
  • the oscillatable membrane is formed by a meander structure with alternating vertical and horizontal sections, with holding structures attached to at least two of the horizontal sections, which are directly or indirectly connected to the carrier.
  • the holding structures can be provided, for example, by 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 support structures can preferably be attached to one and/or two sides of the vibratable membrane, i.e. preferably to upper and/or lower horizontal sections.
  • the use of support structures advantageously allows stabilization without negatively affecting sound generation or sound absorption.
  • the vibratable membrane therefore comprises at least one layer 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 vibratable membrane comprises three layers, wherein an upper layer is formed from a conductive material and is connected to an upper electrode, a middle layer is formed from the actuator material and a lower layer is formed from a conductive material.
  • the conductive material of the upper and/or lower layer can be a mechanical support material, so that this layer has a dual function.
  • the layer ensures contact between the actuator layer and an electrical potential that can be applied to the end electrodes.
  • it functions as a mechanical support layer in the manner described to generate horizontal curvatures or vibrations when the actuator layer is actuated accordingly.
  • the vibratable membrane has a meander 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 order 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 oscillatable membrane comprises two layers of an actuator material, which are separated by a middle layer of a conductive material, preferably metal, wherein the middle layer is connected to a first electrode and at least one of the two layers of an actuator material is contacted with a second electrode via a further layer of a conductive material, preferably a metal.
  • two actuator layers can also be used, for example to cause the vertical sections to vibrate horizontally by means of different controls.
  • 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, preferably serve exclusively for contacting and not as a mechanical support layer. The voltage required for curvature or vibration in the sense of a bimorph for a MEMS loudspeaker is induced by a different control of the actuator layers themselves.
  • the layers made of a conductive material, such as metal can therefore be made particularly thin (less than 500 nm, preferably less than 200 nm).
  • FIG.5 One such preferred embodiment is shown as an example.
  • This has an oscillating membrane as a meander structure with two layers of an actuator material, which are separated by a middle layer of a conductive material (metal).
  • the middle layer is connected to a first end electrode pad, while the upper actuator layer is in contact with a second end electrode via a further layer of a conductive material.
  • a lower layer of a conductive material is not in contact with any of the electrodes.
  • a reverse order of the layers or omission of the lower layer of conductive material, which is not in contact with the electrodes, can also be provided.
  • the actuator layer(s) and, if applicable, the mechanical support layers are continuous, i.e. in cross-section they extend from one end of the membrane (at which a first electrode is preferably present) over several alternating horizontal and vertical sections to a second end of the membrane (at which a second electrode is preferably present).
  • the inventors recognized that for the operating principle of the MEMS transducer, preferably a MEMS loudspeaker, the provision of a mechanical biomorph in the vertical sections is sufficient.
  • the at least one actuator layer is not continuous, but is only present in the vertical sections, but not in the horizontal sections.
  • a mechanical support layer if present, runs continuously, or not runs continuously and is only provided in vertical sections, for example.
  • a preferred manufacturing process for an embodiment with a non-continuous actuator layer is described in the Figure 7 illustrated.
  • a targeted spacer etching of the actuator layer can be carried out in horizontal sections, so that only the vertical sections of the membrane have a layer of an actuator material.
  • a continuous layer of a mechanical support material can also be dielectric in order to avoid a short circuit between an upper and lower conductive layer (also known as top and bottom electrode).
  • the design is characterized by a particularly effective actuation and high performance, in which only the vertical sections are specifically stimulated to alternately arch or oscillate, while the horizontal sections remain mechanically neutral.
  • the displaced volume per phase of the actuation can advantageously be increased again.
  • a vibratable membrane in meander shape is preferably obtained by applying or etching correspondingly functional layers.
  • a vibrating membrane can also be manufactured by providing vertical sections and connecting them using metal bridges.
  • the vertical sections of the vibratable membrane comprise two layers, wherein a first layer consists of an actuator material, a second layer consists of a conductive support material and wherein the vertical sections are connected via horizontal metal bridges.
  • piezoceramic elements comprising a layer of a mechanical support material and a layer of a piezoelectric material, as well as a sacrificial layer, can preferably be provided for this purpose.
  • process steps comprising through-plating and metal filling as well as stacking and dicing of the piezoceramic elements, a membrane with high efficiency can advantageously be obtained in a robust and process-efficient manner.
  • the oscillating membrane is coated with a layer of a non-stick material.
  • Non-stick materials are particularly materials with low surface energies, which are largely inert to the environment and thus prevent 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 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 configured to control the electrodes, which ensures a frequency of the horizontal oscillations between 10 Hz and 20 kHz.
  • the MEMS transducer preferably a MEMS microphone
  • the MEMS transducer comprises a control unit which is configured to detect an electrical signal provided by the at least one electrode, which was generated by horizontal vibrations of the two or more vertical sections.
  • the control unit of a MEMS microphone is preferably configured to receive and process an electrical signal which corresponds to a frequency of the horizontal vibrations between 10 Hz and 20 kHz and is thus set up for sound detection in the audible range.
  • the control unit is therefore preferably configured and set up to use electrical signals to control the vibrating membrane (or the actuator position(s) in the vertical sections) to horizontal vibrations and a sound emission in the audible frequency range or to record and process a corresponding electrical signal when the vibrating membrane is excited.
  • control unit may preferably comprise a data processing unit.
  • a data processing unit preferably refers to a unit which is suitable and configured for receiving, sending, storing and/or processing data, preferably with regard 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 also a flash memory for storing the data.
  • control unit is integrated on a circuit board or circuit board alongside other components of the MEMS converter (carrier, oscillating 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 can also be installed on one and the same circuit board.
  • a compact overall solution is 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 cost-effective CMOS processing suitable for mass production.
  • CMOS processing suitable for mass production.
  • the vibratable membrane held by the carrier is arranged in a front side of a housing which encloses a rear resonance volume.
  • the sound emission of such a MEMS loudspeaker thus preferably occurs towards the open front side ( sound port ), whereby the sound image is improved, particularly for lower frequencies, by the rear resonance volume.
  • 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.
  • the described manufacturing method serves to provide a MEMS transducer with a folded oscillatable membrane with a meander structure. Examples of preferred manufacturing steps are described in the Fig. 2A-G or Fig. 8A-J described.
  • a substrate can be used as a substrate.
  • a blank such as a wafer, can be brought into the desired basic shape of the meander structure.
  • the layers for the vibrating membrane are preferably applied.
  • Applying at least one layer of a conductive material preferably 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 applied in a planned manner to one another. Applying a layer or a layer system preferably serves to define the oscillatable membrane comprising vertical sections which can be excited to horizontal oscillations.
  • 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 can comprise, for example, deposition, e.g. 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 copper, gold and/or platinum can also be deposited using common processes.
  • PVD Physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • electrochemical deposition are preferably used for this.
  • the process steps can be used to provide a finely structured vibratable membrane with a desired definition of vertical and horizontal sections, which is preferably suspended between two side areas of a stable support and has dimensions in the micrometer range.
  • the manufacturing steps are standard process steps in semiconductor processing, so they have proven themselves and are also suitable for mass production.
  • the described manufacturing method serves to provide a MEMS transducer with an oscillatable membrane with a lamella structure, wherein the lamellae are mechanical bimorphs and are connected by metal bridges. Examples of unclaimed manufacturing steps are given in the Fig. 9 A-F illustrated.
  • piezoceramic elements can advantageously be used to obtain an oscillating membrane with lamellae as vertical sections, which are connected to each other by metal bridges, by means of a definition of holes, metal filling as well as stacking and dicing.
  • Piezoceramics are preferably ceramic materials that show a charge separation when deformed by an external force or that 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, as well as a sacrificial layer.
  • the sacrificial layer is used to process and provide the metal bridges and will not itself be part of the vibrating membrane.
  • the sacrificial layer can be a photoresist or photo lacquer, for example. These materials change their solubility when exposed to light, particularly UV light. In particular, it can be a so-called positive lacquer, the solubility of which increases when exposed to UV light. This allows the sacrificial layer to 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. 1 A shows a resting state
  • Fig. 1B Two phases during the actuation of the MEMS loudspeaker are illustrated.
  • the MEMS loudspeaker comprises a vibrating membrane 1 for generating sound waves in a vertical emission direction, wherein the vibrating membrane 1 is held in a horizontal position by a carrier 4.
  • the vibrating 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 vibrating membrane 1 and the actuator layer are contacted by means of electrodes at the end.
  • an electrode pad (not shown) can also 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 of an actuator material and a second layer of a mechanical support material. By controlling the actuator layer, a stress gradient and thus a curvature or vibration can be generated. It can also be preferred that the vertical sections 2 comprise two actuator layers which are controlled in opposite directions in order to cause a curvature of the vertical sections 2 by a corresponding relative change in shape.
  • Figure 1B illustrates two phases during an actuation as an example.
  • the majority of the vertical sections 2 of the vibrating membrane 1 can move an increased total volume in the vertical emission direction with small horizontal movements (curvature) of a few micrometers and thus be used to generate sound.
  • the actuation allows a particularly efficient implementation, since during one phase almost the entire air volume between the vertical sections can be moved up or down along the emission direction.
  • Figure 2 shows schematically a preferred manufacturing method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillating membrane 1 which has a meandering shape in cross section.
  • An oscillating membrane with a meandering shape in cross section can also preferably be referred to as a folded membrane or bellows.
  • Fig. 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, in cross section, a meander.
  • etch stop 9 ( Fig. 2B ), which can be TEOS or PECVD , for example.
  • a layer of a mechanical support material 10 ( Fig. 2C ) and a layer of an actuator material 11 is 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. Layer thicknesses of 1 ⁇ m, for example, can be preferred.
  • 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.
  • Fig. 2E shows the preferred application of a full-surface top electrode as a layer of a conductive material 12 . End contact can be made, for example, by means of an electrode pad 13 ( Fig. 2 F) .
  • Fig. 2F and 2G illustrate a further etching of the substrate 8 from the back or bottom side, and the removal of the etch stop.
  • the manufacturing steps 2A-G thus produce an oscillating membrane 1 which has a meandering structure in cross section.
  • a continuous actuator layer 11 and the provision of end-side contacts 13 allow efficient actuation of the vertical sections 2 to produce horizontal oscillations (cf. Fig.1 ).
  • control is preferably carried out by means of two electrodes, so the actuator layer 12 is preferably contacted both from a front side (top electrode, conductive layer 12) and from a rear side (bottom electrode, via conductive mechanical support material 10) (cf. Fig. 6A ).
  • holding structures 14 can be provided. As shown in the Fig. 3 and 4 shown, these can preferably support horizontal sections 3 of the vibrating membrane 1.
  • the horizontal sections 3 are advantageously mechanically neutral (cf. Fig 1B ), so that no undesirable stresses are induced between the membrane 1 and the support structure 14 or carrier 4 during actuation.
  • Fig.5 illustrates a preferred alternative embodiment of a MEMS loudspeaker, wherein the vibratable membrane 1 comprises 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 end-side electrode pad 13 , while in the embodiment shown the upper actuator layer 11 is contacted with a second end electrode pad 13 via a further layer made of a conductive material 12 .
  • Fig.6 illustrates preferred controls for operating the described MEMS loudspeakers.
  • 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 end-side electrode pads 13 , so that the horizontal vibrations can be generated by a change in the shape of the actuator material compared 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 be applied, for example, to the front electrode pad 13 (left), while the rear electrode pad 13 (right) is grounded.
  • 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 top and bottom electrode pads 13 (left), while the middle layer 12 is grounded via another electrode pad 13 (right).
  • Fig.7 shows, by way of example, a preferred integration of a MEMS loudspeaker according to the invention in a housing 15.
  • the vibrating membrane 1 held by the carrier 4 is arranged in a front side or front 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 manufacturing process for providing a MEMS loudspeaker with an oscillating membrane 1 according to the invention.
  • Figures 8A-D The process steps shown are analogous to the Fig. 2 .
  • Fig. 8A shows an etching of the substrate 8 from a top 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.
  • etch stop 9 ( Fig. 2B ), which can be TEOS or PECVD , for example.
  • a layer of a mechanical support material 10 ( Fig. 2C ) and an actuator material 11.
  • the mechanical support material 10 can be, for example, doped polysilicon, 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 etching is carried out ( Fig. 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 of an actuator material 11 .
  • a continuous dielectric layer 18 is preferably applied to avoid a short circuit between the upper and lower electrodes to be applied later ( Fig. 8G ).
  • a continuous conductive layer as top electrode 12 allows front-side contact ( Fig. 8H ).
  • Fig. 8 I and 8 J illustrate a further etching of the substrate 8 from the back or bottom side and optionally the application of a continuous conductive layer 12 as a back side electrode.
  • Fig.9 illustrates an unclaimed manufacturing method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillating membrane based on individual piezoceramics.
  • piezoceramic elements 19 comprising a layer of a mechanical support material 10 (e.g. doped polysilicon) and a layer of a piezoelectric material 11 as well as a sacrificial layer 20 (cf. Fig. 9A and 9B
  • the sacrificial layer 20 can, for example, be a photoresist.
  • the stacked piezoceramic elements 19 are introduced into a carrier 4 , wherein preferably the first and last piezoceramic elements are each contacted with an electrode 13 ( Fig. 9G ).
  • a vibratable 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 vibrations.
  • 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. Contacting of all vertical sections 2 by means of end-side control is ensured by the metal bridges 23 .

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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.
  • Aus der US 2002/006208 A1 und JP 3 919695 B2 ist ein piezoelektrischer Lautsprecher bekannt, bei welchem zwei piezoelektrische Filme zu einem Diaphragma mit einer Akkordeonform geformt werden. Das Diaphragma ist in gefalteter Form seitlich jeweils durch ein wellenförmiges Plattenpaar eingeklemmt, welches beispielsweise mittels Verschraubungen fixiert wird und als zusammengesetzter Seitenrahmen das vibrierenden Diaphragmas stabilisiert. Auf den Wellenbergen und Wellentälern des Diaphragmas werden mehrere Elektroden in strukturierter Form aufgebracht und liegen durch Streifen aus nichtleitendem Material voneinander isoliert vor. Zur Ansteuerung der Elektroden sind in dem Plattenpaar bzw. Seitenrahmen Elektrodenleitungen angeordnet. Alternativ kann das Plattenpaar auch mindestens teilweise aus einem leitfähigen Material geformt werden.
  • Der makroskopische piezoelektrische Lautsprecher US 2002/006208 A1 und JP 3 919695 B2 wird in einem Montageprozess erhalten, welcher nicht auf naheliegende Weise miniaturisiert werden kann, um einen MEMS-Lautsprecher zu erhalten. Insbesondere die vorgesehene Klemmung des Diaphragmas in einem zweiteiligen Seitenrahmen, das strukturierte Aufbringen mehrerer Elektroden auf Wellenbergen und -tälern des Diaphragmas oder die Verbindung der Elektroden mit Elektrodenleitungen in dem Seitenrahmen ist nicht auf einen MEMS-Prozess übertragbar.
  • 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 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, wobei die schwingfähige Membran zusammen mit dem Träger in einem Halbleiterprozess hergestellt 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 der Aktuatorlage 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 der Aktuatorlage 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) der Aktuatorlage 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. Der MEMS-Wandler umfassend eine schwingfähige Membran zusammen mit einem Träger wird in einem Halbleiterprozess hergestellt, bevorzugt auf einem Wafer. 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 einer nicht beanspruchten 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 nicht beanspruchten 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.
  • Ein nicht beanspruchtes Herstellungsverfahren für einen MEMS-Wandler wie vorstehend beschrieben umfasst 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 nicht beanspruchter 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 nicht beanspruchten 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 1 A 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 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. 8 I und 8 J 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 nicht beanspruchtes 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 (13)

  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, wobei die schwingfähige Membran (1) zusammen mit dem Träger (4) in einem Halbleiterprozess hergestellt wird,
    und wobei
    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 der Aktuatormaterials 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 schwingfähige Membran (1) mit einer Lage aus einem Antihaftmaterial beschichtet ist.
  12. 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.
  13. 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.
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