EP4091340A1 - Mems transducer with increased performance - Google Patents

Mems transducer with increased performance

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Publication number
EP4091340A1
EP4091340A1 EP21700309.4A EP21700309A EP4091340A1 EP 4091340 A1 EP4091340 A1 EP 4091340A1 EP 21700309 A EP21700309 A EP 21700309A EP 4091340 A1 EP4091340 A1 EP 4091340A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
membrane
mems
electrode
vertical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21700309.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alfons Dehé
Achim Bittner
Lenny Castellanos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Original Assignee
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV filed Critical Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Publication of EP4091340A1 publication Critical patent/EP4091340A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/005Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers using a piezoelectric polymer
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R31/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor
    • H04R31/003Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor for diaphragms or their outer suspension
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/12Non-planar diaphragms or cones
    • H04R7/122Non-planar diaphragms or cones comprising a plurality of sections or layers
    • H04R7/125Non-planar diaphragms or cones comprising a plurality of sections or layers comprising a plurality of superposed layers in contact
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    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/12Non-planar diaphragms or cones
    • H04R7/14Non-planar diaphragms or cones corrugated, pleated or ribbed
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003Mems 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, the oscillating membrane being held by a support and the oscillating membrane having two or more vertical sections which are parallel to the vertical Direction are formed and comprise at least one layer of an actuator material.
  • the vibratable membrane is preferably in contact with an electrode at the end, so that the two or more vertical sections can be excited to horizontal vibrations by controlling the at least one electrode or so that when the two or more vertical sections are excited to horizontal vibrations at the at least one electrode electrical signal can be generated.
  • microsystem technology For the production of compact, mechanical-electronic devices, microsystem technology is used in many fields of application today.
  • the microsystems microelectromechanical system, MEMS for short
  • MEMS microelectromechanical system
  • MEMS converters such as MEMS loudspeakers or MEMS microphones are also known from the prior art.
  • Current MEMS loudspeakers are mostly designed as planar membrane systems with a vertical actuation of a vibratable membrane in the direction of emission. The excitation takes place, for example, by means of piezoelectric, electromagnetic or electrostatic actuators.
  • a MEMS electromagnetic speaker for mobile devices is described in Shahosseini et al. Described in 2015.
  • the MEMS loudspeaker has a stiffening silicon microstructure as a sound emitter, with the movable part being suspended from a carrier via silicon mainsprings in order to enable large displacements out of the plane by means of an electromagnetic motor.
  • Stoppel et al. 2017 reveals a two-way loudspeaker whose concept is based on concentric piezoelectric actuators.
  • the vibration diaphragm is not designed to be closed, but rather includes eight piezoelectric unimorph actuators, each of which consists of a piezoelectric and a passive layer.
  • the outer woofers consist of four trapezoidal actuators clamped on one side, while the inner tweeters are formed by four triangular actuators, which are connected to a rigid frame by means of a spring.
  • the separation of the membrane should allow an improved sound image with higher power.
  • a disadvantage of such planar MEMS loudspeakers is their limitation with regard to the sound power, in particular at low frequencies.
  • the sound pressure level that can be generated is proportional to the square of the frequency for a given deflection.
  • deflections for the vibration diaphragms of at least 100 ⁇ m or large-area diaphragms in the square centimeter range are necessary. Both conditions are difficult to implement using MEMS technology.
  • a MEMS loudspeaker based on this principle is used, for example, in US 2018 /
  • the MEMS loudspeaker comprises a plurality of electrostatic bending actuators, which are arranged between a top and bottom wafer as vertical lamellas and can be excited to lateral vibrations by appropriate control.
  • an inner lamella forms an actuator electrode opposite two outer lamellae.
  • a connection node between the electrodes which are still galvanically separated, there is an air gap between the three curved lamellae. If there is a potential inside against outside, this leads to a mutual attraction due to the curvature of the design in the direction of a preferred direction, which is specified by an anchor.
  • the bulges of the outer lamellae are used for mobility.
  • the restoring force is given by a mechanical spring force. A pull-push operation is therefore not possible.
  • Another disadvantage is that gaps between the bending actuators and the top / bottom wafers, which are necessary for their mobility, lead to ventilation between the two chambers. This limits the lower limit frequency. Furthermore, the lateral movement of the bending actuators and therefore the sound power are restricted in order to avoid a pull-in effect and acoustic breakdown.
  • the device comprises a front and rear chamber and a plurality of valves, the front and rear chambers being separated from one another by means of a folded membrane.
  • the folded membrane has a rectangular meandering structure with horizontal and vertical sections in cross section.
  • Piezo actuators are positioned on the respective horizontal sections in order to bring about a lateral movement of the vertical sections by synchronized expansion or compression of the horizontal sections.
  • a piezoelectric loudspeaker in which two piezoelectric films are formed into a diaphragm with an accordion shape.
  • the diaphragm When folded, the diaphragm is clamped in at the sides by a wave-shaped pair of plates, which are fixed, for example, by means of screw connections and, as a composite side frame, stabilize the vibrating diaphragm.
  • Several electrodes in a structured form are applied to the wave crests and troughs of the diaphragm and are isolated from one another by strips of non-conductive material.
  • electrode lines are arranged in the plate pair or side frame.
  • the pair of plates can also be formed at least partially from a conductive material.
  • the macroscopic piezoelectric loudspeaker US 2002/006208 A1 and JP 3 919695 B2 is obtained in an assembly process which cannot be miniaturized in an obvious manner in order to obtain a MEMS loudspeaker.
  • the intended clamping of the diaphragm in a two-part side frame, the structured application of multiple electrodes on wave crests and valleys of the diaphragm or the connection of the electrodes to 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, and a method for producing the MEMS converter, which do not have the disadvantages of the prior art.
  • the invention preferably relates to a MEMS converter for interaction with a volume flow of a fluid
  • an oscillatable membrane for generating or absorbing pressure waves of the fluid in a vertical direction
  • the oscillatable membrane being held by the carrier and wherein the vibratable membrane has two or more vertical sections which are formed essentially parallel to the vertical direction and comprise at least one layer of an actuator material, the vibratable membrane being in contact with at least one electrode at the end so that the at least one electrode is controlled two or more vertical sections can be excited to essentially horizontal oscillations or so that when the two or more vertical sections are excited to essentially horizontal oscillations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
  • the MEMS converter can particularly preferably be a MEMS loudspeaker.
  • the invention relates to a MEMS loudspeaker comprising
  • An oscillatable membrane for generating sound waves in a vertical emission direction the oscillatable membrane being held by the carrier, the oscillatable membrane having two or more vertical sections which are essentially parallel to the emission direction and comprise at least one layer of an actuator material , wherein the vibratory membrane is preferably in contact at the end with at least one electrode, so that the two or more vertical sections can be excited to essentially horizontal vibrations by controlling the at least one electrode.
  • the vibratory membrane itself does not have to be operated over a large area of several square centimeters or with a deflection of more than 100 ⁇ m in order to generate sufficient sound pressure. Instead, the majority of the vertical sections of the vibratable membrane can move an increased total volume in the vertical emission direction with small horizontal or lateral movements of a few micrometers.
  • the claimed MEMS loudspeaker is characterized by a simplified structure, control and manufacturing process.
  • the vertical sections of the oscillatable membrane can instead be obtained in MEMS design by means of simple manufacturing steps, as will be explained in detail below.
  • the actuator principle according to the invention avoids pull-in or sticking of the vertical sections. in the In contrast to the solution by Kaiser et al. In 2019, no potential differences are obtained in a gap between the vertical sections due to the one-sided electrodes. In addition to avoiding an overvoltage or a pull-in, this can also reduce the accumulation of dust, since, for example, an external electrode can be connected to a ground potential.
  • MEMS loudspeaker Another particular advantage of the MEMS loudspeaker described is the simplified control. While in US 2019/011 64 17 A1 a large number of piezoelectric actuators have to be contacted on the horizontal sections, the proposed MEMS loudspeaker can be operated by means of at least one end electrode. This reduces the manufacturing effort, minimizes sources of error and also inherently leads to a synchronous control of the vertical sections to horizontal oscillations.
  • a “MEMS loudspeaker” preferably denotes a loudspeaker which is based on MEMS technology and whose sound-generating structures are at least partially dimensioned in the micrometer range (1 ⁇ m to 1000 gm).
  • the vertical sections of the oscillatable membrane can preferably have a dimension in the range of less than 1000 ⁇ m in terms of width, height and / or thickness. It can also be preferred here that, for example, only the height of the vertical sections are dimensioned in the micrometer range, while, for example, the length can have a larger dimension and / or the thickness can have a smaller size.
  • the design of the vibratory membrane can advantageously not only be used to form a MEMS loudspeaker with high sound power and simplified control. Likewise, for example, the provision of a particularly powerful MEMS microphone with high audio quality is made possible.
  • the invention thus also relates to a MEMS microphone comprising
  • an oscillatable membrane for receiving sound waves in a vertical direction, wherein the oscillatable membrane is held by the carrier, and wherein the oscillatable 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 , wherein the vibratory membrane is preferably in contact at the end with at least one electrode, so that when the two or more vertical sections are excited into horizontal vibrations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
  • the structure of the MEMS microphone is structurally similar to that of the MEMS loudspeaker, particularly with regard to the design of the vibratable membrane. Instead of controlling the electrodes to generate horizontal vibrations and therefore sound pressure waves, the MEMS microphone is designed to pick up sound pressure waves in the same vertical direction. Thus, there are preferably air volumes between the vertical sections which are moved along a vertical detection direction when sound waves are picked up. The vertical sections are excited to vibrate horizontally by the sound pressure waves, so that the actuator material generates a corresponding periodic electrical signal.
  • a “MEMS microphone” preferably denotes a microphone which is based on MEMS technology and whose sound-picking structures are at least partially dimensioned in the micrometer range (1 pm to 1000 gm).
  • the vertical sections of the oscillatable membrane can preferably have a dimension in the range of less than 1000 ⁇ m in terms of width, height and / or thickness. It can also be preferred here that, for example, only the height of the vertical sections are dimensioned in the micrometer range, while, for example, the length can have a larger dimension and / or the thickness can have a smaller size.
  • MEMS converter is therefore to be understood as meaning both a MEMS microphone and a MEMS loudspeaker.
  • the MEMS converter denotes a converter for interaction with a volume flow of a fluid, which is based on MEMS technology and whose structures for interaction with the volume flow or for absorbing or generating pressure waves of the fluid are dimensioned in the micrometer range (1 pm to 1000 pm ) exhibit.
  • the fluid can be either a gaseous or a liquid fluid.
  • the structures of the MEMS transducer, in particular the vibratory membrane, are designed to generate or absorb pressure waves from the fluid.
  • MEMS loudspeaker or MEMS microphone they can be sound pressure waves.
  • the MEMS converter can, however, also be suitable as an actuator or sensor for other pressure waves.
  • the MEMS converter is therefore preferably a device that converts pressure waves (e.g. acoustic signals as sound pressure) into electrical signals or vice versa (conversion of electrical signals into pressure waves, e.g. acoustic signals).
  • the MEMS converter can also be used as an energy harvester, using alternating pneumatic or hydraulic pressures.
  • the electrical signal can be dissipated as generated electrical energy, stored or fed to other (consumer) devices.
  • Electrode preferably means an area made of a conductive material (preferably a metal) which is used for such contact with electronics, for example a current and / or voltage source in the Case of a MEMS speaker. It can preferably be an electrode pad.
  • the electrode pad is particularly preferably used to make contact with electronics and is itself connected to a conductive metal layer which can extend over the entire surface of the vibratory membrane.
  • the conductive layer is sometimes referred to together with an electrode pad as an electrode, for example as a top electrode or bottom electrode.
  • the layer made of a conductive material, preferably metal, in the sense of a top or bottom electrode is a continuous or full-area or contiguous layer of the vibratable membrane, which forms an essentially homogeneous surface and is in particular not structured.
  • the two or more vertical sections are preferably contacted with the end-side electrodes or the electrode pad by means of an unstructured layer made of a conductive material, preferably metal.
  • a top or bottom electrode can be applied as a cohesive layer made of a conductive material, which is contacted by means of at least one end electrode or an electrode pad. This significantly simplifies the manufacturing process and allows miniaturized MEMS transducers to be made available in large numbers by means of a batch process.
  • the MEMS transducer comprises two electrodes at the end.
  • the contact with electronics e.g. a current or voltage source
  • the end-side provision of the electrodes is thus preferably distinguished from a contact which controls the respective vertical sections with respective separate electrodes or, in the case of a MEMS microphone, picks up electrical signals generated.
  • the MEMS converter thus preferably comprises exactly one or exactly two electrodes for contacting the end and no further electrodes (pads) for contacting central vertical sections.
  • the layer made of an actuator material in the vertical sections is preferably used as part of a mechanical biomorph, with a lateral curvature of the vertical sections being caused by controlling the actuator layer via the electrode or with a corresponding electrical signal being generated by an induced lateral curvature.
  • the two or more vertical sections have at least two layers, one layer comprising an actuator material and a second layer comprising a mechanical support material and at least the layer comprising the Actuator material and is present in contact with an end electrode, so that the horizontal vibrations can be generated by changing the shape of the actuator material compared to the mechanical support material.
  • the mechanical bimorph is formed by a layer of actuator material (for example a piezoelectric material) and a passive layer, which functions as a mechanical support layer. Both a transverse and a longitudinal piezo effect can be used for the bending.
  • the actuator position When the actuator position is activated, it can experience, for example, 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 oscillation.
  • a push-pull operation can preferably take place by changing polarity on the electrodes, whereby almost the entire air volume between the vertical sections can alternately be moved in the vertical emission direction.
  • the advantage of the actuator principle is therefore a highly efficient translation of the horizontal vibrations of vertical sections into a vertical volume movement or sound generation.
  • the actuator principle is not based on electrostatic attraction, but on a relative change in shape (e.g. compression, stretching, shear) of the actuator layer in relation to a support layer, sticking of the membrane sections can be excluded. Instead, the vertical sections can finally touch and are therefore not restricted in their deflection.
  • the two or more vertical sections comprise at least two layers, both layers comprising an actuator material and being in contact with electrodes at each end and the horizontal vibrations being able to be generated by changing the shape of one layer compared to the other layer.
  • the horizontal oscillation of the vertical sections is therefore not generated by a stress gradient between an active actuator layer and a passive support layer, but rather by a relative change in shape of two active actuator layers.
  • the actuator layers can consist of the same actuator material and can be controlled differently.
  • the actuator layers can also consist of different actuator materials, for example of piezoelectric materials with different deformation coefficients.
  • the “layer comprising an actuator material” is preferably also referred to as an actuator layer.
  • An actuator material preferably means a material which, when an electrical voltage is applied, undergoes a change in shape, for example an expansion, compression or shear, or, conversely, generates an electrical voltage with a change in shape.
  • the actuator material can preferably be a piezoelectric material, a polymer piezoelectrical material and / or electroactive polymers (EAP).
  • the piezoelectric material is particularly preferably selected from a group comprising lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AlN), aluminum scandium nitride (AIScN) and zinc oxide (ZnO).
  • PZT lead zirconate titanate
  • AlN aluminum nitride
  • AIScN aluminum scandium nitride
  • ZnO zinc oxide
  • the polymer piezoelectric materials preferably include polymers which have internal dipoles and thus piezoelectric properties. This means that when an external electrical voltage is applied, the piezoelectric polymer materials (analogous to the aforementioned classic piezoelectric materials) experience a change in shape (e.g. compression, stretching or shear).
  • An example of a preferred piezoelectric polymer material is polyvinylidene fluoride.
  • a polymer piezoelectrical material layer is applied to a mechanical support layer and is wound over an upper and lower comb.
  • a polymer piezoelectrical material layer (including electrode) is preferably first provided on a support layer (possibly including a counter electrode). Subsequently, an upper and a lower comb (preferably a MEMS structure) are moved against one another in such a way that a folded membrane with actuatable vertical sections is created.
  • the “layer comprising a mechanical support material” is preferably also referred to as a support layer or support layer.
  • the mechanical support material or the support layer preferably serves as a passive layer which can withstand a change in shape of the actuator layer.
  • the mechanical support material preferably does not change its shape when an electrical voltage is applied.
  • the mechanical support material is preferably electrically conductive, so that it can also be used directly for contacting the actuator layer. However, in some embodiments it can also be non-conductive and, for example, be coated with an electrically conductive layer.
  • the mechanical support material is particularly preferably monocrystalline silicon, a polysilicon or a doped polysilicon.
  • the actuator position undergoes a change in shape when an electrical voltage is applied, the position of the mechanical support material remains essentially unchanged.
  • the resulting stress gradient between the two layers (mechanical bimorph) preferably causes a horizontal curvature.
  • the thickness of the support layer in comparison to the thickness of the actuator layer should preferably be selected so that a sufficiently large stress gradient is generated for the curvature.
  • a thickness of essentially the same size preferably between 0.5 ⁇ m and 2 ⁇ m, has proven to be particularly suitable.
  • Terms such as essentially, approximately, about, etc. preferably describe a tolerance range of less than ⁇ 20%, preferably less than ⁇ 10%, even more preferably less than ⁇ 5% and in particular less than ⁇ 1%. Details of essentially, approximately, approximately, etc. disclose and always also include the exact stated value. With periodic control of the actuator position, for example by means of an alternating voltage, horizontal vibrations for sound emission can thus be generated quickly and precisely.
  • the piezoelectric material can preferably have a C-axis orientation perpendicular to the surface of the vertical sections, so that a transverse piezoelectric effect is used.
  • Other orientations and, for example, the use of a longitudinal piezoelectric effect to form the horizontal arches or vibrations (cf. FIG. 1) can also be preferred.
  • the vibratory membrane therefore comprises at least one layer made of a conductive material.
  • the conductive material is selected from a group comprising platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon,
  • Molybdenum titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite and copper.
  • the directional information vertical and horizontal (or lateral) preferably relate to a preferred direction in which the oscillatable membrane is oriented for generating or absorbing pressure waves of the fluid.
  • the vibratory membrane is preferably suspended horizontally between at least two side regions of a carrier, while the vertical direction (direction of interaction with the fluid) for generating or absorbing pressure waves is orthogonal thereto.
  • the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound emission direction of the MEMS loudspeaker.
  • vertical preferably means the direction of the sound emission
  • horizontal means a direction orthogonal to it.
  • the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound detection direction of the MEMS microphone.
  • vertical preferably means the direction of sound detection or recording, while horizontal means a direction orthogonal thereto.
  • the vertical sections of the vibratable membrane thus preferably designate sections of the vibratable membrane which are essentially aligned in the emission direction of a MEMS loudspeaker or the detection direction of a MEMS microphone.
  • the person skilled in the art understands that it does not have to be an exact vertical alignment, but rather the vertical sections of the oscillatable membrane are preferably aligned essentially in the emission direction of a MEMS loudspeaker or the detection direction of a MEMS microphone.
  • the vertical sections are aligned essentially parallel to the vertical direction, with essentially parallel a tolerance range of ⁇
  • the oscillatable membrane can therefore preferably not only have a rectangular meander shape in cross section, but also have a curved or wavy shape or a sawtooth shape (zigzag shape).
  • the vertical and / or horizontal sections are preferably rectilinear at least in sections or over their entire length, but the vertical and / or horizontal sections can also be designed to be curved at least in sections or over their entire length.
  • the alignment preferably relates to a tangent to the curved vertical and / or horizontal sections at their respective midpoints.
  • the vibratable membrane is preferably oriented horizontally to the direction of sound emission or sound detection, the sound waves are generated by actuation of the vertical sections or vice versa.
  • the carrier comprises two side areas between which the vibratable membrane is arranged in the horizontal direction.
  • the carrier is preferably a frame structure which is essentially formed by a continuous outer border in the form of side walls of a flat area that remains free.
  • the frame structure is preferably stable and rigid.
  • the individual side regions which preferably essentially form the frame structure, are called in particular side walls.
  • the oscillatable membrane is preferably held by at least two side walls of the carrier.
  • the two side walls can be seen in cross section.
  • the carrier preferably comprises four side areas, with additional end faces, as a rule parallel to the cross-section shown. These other two side walls span the frame structure.
  • the oscillatable membrane is preferably hung flat within the area that remains free.
  • the two-dimensional expansion of the vibratable membrane characterizes a horizontal direction, while the vertical sections are essentially orthogonal to it.
  • the membrane can be adhered to these side walls or be slotted there for the purpose of greater mobility.
  • the slot can advantageously represent a dynamic high-pass filter which, for example, couples a front volume and a rear volume to one another.
  • the carrier is formed from a substrate, preferably selected from the group consisting of monocrystalline silicon, polysilicon, silicon dioxide, silicon carbide, silicon germanium, silicon nitride, nitride, germanium, carbon, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide and glass.
  • the carrier structure can be manufactured flexibly due to the materials and / or manufacturing methods become.
  • the MEMS transducer comprising an oscillatable membrane together with a carrier in a (semiconductor) process, preferably on a wafer. This further simplifies and makes production cheaper, so that a compact and robust MEMS converter can be provided at low cost.
  • the vibratory membrane is formed by a lamellar structure or a meandering structure.
  • the specification of a lamellar or meandering structure preferably relates to the shape of the oscillatable membrane in cross section.
  • a lamellar structure preferably denotes an arrangement of similar, parallel layers, which preferably form the vertical sections.
  • the individual lamellae are preferably aligned with their area essentially parallel to the vertical direction, preferably an emission or detection direction.
  • the lamellae are preferably constructed in several layers and form a mechanical biomorph.
  • the slats can each include an actuator layer and a passive layer made of a support material and / or two differently controllable actuator layers.
  • the lamellae need not be aligned exactly parallel to the vertical direction, but rather the lamellae are preferably aligned essentially in the emission direction of a MEMS loudspeaker or the detection direction of a MEMS microphone.
  • the vertical sections or lamellae are aligned essentially parallel to the vertical direction, wherein essentially parallel means a tolerance range of ⁇ 30 °, preferably ⁇ 20 °, particularly preferably ⁇ 10 ° around the vertical direction.
  • the lamellae are flat, which means in particular that their extension in each of the two dimensions (height, width) of their area is greater than in a dimension perpendicular thereto (the thickness).
  • size ratios of at least 2: 1, preferably at least 5: 1, 10: 1 or more can be preferred.
  • the oscillatable membrane preferably has a multiplicity of lamellae which form the vertical sections. For example, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 or more slats may be preferred. This results in a high degree of efficiency for a desired sound emission or sound detection in a very small space.
  • the vibratory membrane is preferably formed by the lamellae as vertical sections, which are connected to one another via conductive bridges or horizontal sections.
  • Metal bridges cf. FIG. 10
  • bridges made of other conductive materials are suitable as bridges.
  • the conductive bridges ensure the mechanical integrity of the vibrating membrane.
  • the conductive bridges advantageously allow contact to be made with all of the lamellae by means of electrodes at the end.
  • the lamellas can be excited synchronously with horizontal vibrations or detect the same with little control and manufacturing effort.
  • a meander structure preferably denotes a structure formed from a sequence of mutually essentially orthogonal sections in cross section.
  • the mutually orthogonal sections are preferably vertical and horizontal sections of the oscillatable membrane.
  • the meandering structure is particularly preferably rectangular in cross section. However, it can also be preferred that the meandering structure has a sawtooth shape (zigzag shape) in cross section or is designed in the shape of a curve or wave. This is particularly the case if the vertical sections are not aligned exactly parallel to the vertical emission or detection direction, but rather enclose an angle of, for example, ⁇ 30 °, preferably ⁇ 20 °, particularly preferably ⁇ 10 °, with the vertical direction.
  • the horizontal sections can likewise not be exactly at an orthogonal angle of 90 ° to the vertical emission or detection direction, but for example an angle between 60 ° and 120 °, preferably between 70 ° and 110 °, particularly preferably between 80 ° and Include 100 ° with the vertical direction.
  • the alignment preferably relates to a tangent to the vertical and / or horizontal sections at their respective midpoints.
  • the meander structure thus preferably corresponds to a membrane folded along its width.
  • an oscillatable membrane can therefore preferably also be referred to as a bellows.
  • the parallel folds of the bellows preferably form the vertical sections.
  • the connecting sections between the folds preferably form the horizontal sections.
  • the vertical sections are preferably longer than the horizontal sections, for example by a factor of 1, 5, 2, 3, 4 or more.
  • the vertical sections are decisive, analogously to the lamellae described above.
  • the vertical sections are preferably constructed in several layers and form a mechanical biomorph.
  • the vertical sections can each include an actuator layer and a passive layer made of a support material and / or two differently controllable actuator layers.
  • the horizontal sections of the folded membrane can preferably be constructed identically to the vertical sections (cf., inter alia, Figs. 3-7).
  • the horizontal sections - in contrast to the vertical sections - do not have an actuator layer, but only a mechanical support layer and / or an electrically conductive layer.
  • the at least one layer made of an actuator material of the vibratable membrane is a continuous layer.
  • Continuous preferably means that there are no interruptions in the cross-sectional profile. Accordingly, in the embodiment mentioned, it is preferred that there is a continuous layer of actuator material in both the vertical and horizontal sections. No structuring is therefore advantageously necessary.
  • a continuous layer is particularly easy to manufacture and ensures synchronous actuation when operating a MEMS loudspeaker. The performance of the MEMS transducer, in particular of a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can essentially be determined by the number and / or dimensioning of the vertical sections.
  • the vibratable membrane comprises more than 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 or more vertical sections.
  • the vibratable membrane comprises less than 10,000,
  • the preferred number of vertical sections leads to high sound power on the smallest chip surfaces without the sound image or audio quality suffering.
  • the vertical sections are preferably flat, which means in particular that their extension in each of the two dimensions (height, width) of their area is greater than in a dimension perpendicular thereto (the thickness).
  • size ratios of at least 2: 1, preferably at least 5: 1, 10: 1 or more can be preferred.
  • the height of the vertical sections preferably corresponds to the dimension along the direction of the sound emission or sound detection, while the thickness of the vertical sections preferably corresponds to the sum of the layer thickness of the one or more layers that form the vertical sections.
  • the length of the vertical sections preferably corresponds to a dimension orthogonal to the height or thickness. In the cross-sectional views of the figures below, the height and thickness are shown schematically (not necessarily true to scale), while the dimension of the length corresponds to a (not visible) drawing depth of the figures.
  • the height of the vertical sections is between 1 pm and 1000 pm, preferably between 10 pm and 500 pm.
  • Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, such as, for example, 1 pm to 10 pm, 10 pm to 50 pm, 50 pm to 100 pm, 100 pm to 200 pm, 200 pm to 300 pm, 300 pm to 400 pm, 400 pm to 500 pm pm, 600 pm to 700 pm, 700 pm to 800 pm, 800 pm to 900 pm or 900 pm to 1000 pm.
  • the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 10 pm to 200 pm, 50 pm to 300 pm or also 100 pm to 600 pm.
  • 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, for example, 100 nm to 500 nm, 500 nm to 1 pm, 1 pm to 1.5 pm, 1.5 pm to 2 pm, 2 pm to 3 pm, 3 pm to 4 pm , 4 pm to 5 pm, 5 pm to 6 pm, 6 pm to 7 pm, 7 pm to 8 pm, 8 pm to 9 pm or 9 pm to 10 pm.
  • the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 500 nm to 3 pm, 1 pm to 5 pm or also 1500 nm to 6 pm.
  • the length of the vertical sections is between 10 ⁇ m and 10 mm, preferably between 100 ⁇ m and 1 mm. Also intermediate areas from the The above ranges can be preferred, such as 10 pm to 100 pm, 100 pm to 200 pm, 200 pm to 300 pm, 300 pm to 400 pm, 400 pm to 500 pm, 500 pm to 1000 pm, 1 mm to 2 mm, 3 mm to 4 mm, 4 mm to 5 mm, 5 mm to 8 mm or also 8 mm to 10 mm.
  • the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, 500 ⁇ m to 5 ⁇ m or also 1 mm to 5 mm.
  • a particularly compact MEMS transducer in particular MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be provided which at the same time combines high performance with excellent sound image or audio quality.
  • the oscillatable membrane is formed by a meandering structure with alternating vertical and horizontal sections, with holding structures attached to at least two of the horizontal sections, which are connected directly or indirectly to the carrier.
  • the holding structures can, for example, be provided by the substrate material of the carrier, i.e. the holding structures can be formed directly from the substrate of a bottom wafer.
  • the holding structures it is also possible for the holding structures to be connected to the horizontal sections as separate ridges or elevations of a top wafer.
  • the holding structures can preferably be present on one and / or two sides of the oscillatable membrane, i.e. preferably attached to upper and / or lower horizontal sections.
  • the use of holding structures advantageously allows stabilization without negatively affecting the generation or absorption of sound.
  • Various layers can be provided for the construction of the vibratable membrane in order to ensure the described actuation and excitation of horizontal vibrations or their detection.
  • the vibratory membrane therefore comprises at least one layer made of a conductive material.
  • the conductive material is selected from a group comprising platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon,
  • the vibratory membrane comprises three layers, an upper layer being formed from a conductive material and connected to an upper electrode, a middle layer being formed from the actuator material and a lower layer being formed from a conductive material.
  • the conductive material of the upper and / or lower layer can preferably be a mechanical support material, so that this layer has a double function.
  • the location ensures that the actuator layer is contacted with an electrical potential that can be applied to the electrodes at the end.
  • it functions as a mechanical support layer in the manner described for generating horizontal curvatures or vibrations when the actuator position is actuated accordingly.
  • the vibratable membrane has a meandering structure with a continuous upper layer made of a conductive material (metal), a continuous middle layer made of an actuator material and a lower layer made of a conductive mechanical material Support material.
  • a reverse sequence of the layers or a further additional conductive layer in contact with the mechanical support layer and / or actuator layer for improved contacting can also be provided.
  • the vibratory membrane comprises two layers made of an actuator material, which are separated by a middle layer made of a conductive material, preferably metal, the middle layer being connected to a first electrode and at least one of the two layers made of an actuator material another layer made of a conductive material, preferably a metal, is present in contact with a second electrode.
  • two actuator positions can also be used in order, for example, to set the vertical sections into horizontal oscillations by means of different actuation.
  • two or more intermediate layers made of a conductive material can preferably be provided.
  • the layers made of conductive material for example made of a metal, in this case preferably serve exclusively for contacting and not as a mechanical support layer.
  • the voltage required in the sense of a bimorph for a MEMS loudspeaker for bulging or oscillation is induced by a different control of the actuator positions themselves.
  • the layers made of a conductive material, such as metal, for example, can therefore be made particularly thin (less than 500 nm, preferably less than 200 nm).
  • FIG. 1 Such a preferred embodiment is shown by way of example in FIG.
  • This has an oscillatable membrane as a meandering structure with two layers made of an actuator material, which are separated by a middle layer made of a conductive material (metal).
  • the middle layer is connected to a first electrode pad at the end, while the upper actuator layer is connected to a second end-side via a further layer made of a conductive material Electrode is in contact.
  • a lower layer made of a conductive material is not in contact with any of the electrodes.
  • a reverse order of the layers or a waiver of the lower layer made of conductive material, which is in no contact with the electrodes, can also be provided.
  • the actuator layer (s) and possibly the mechanical support layers are continuous, ie in cross section from one end of the membrane (at which a first electrode is preferably present) over several alternating horizontal and vertical sections, up to a second end of the membrane (at which preferably a second electrode is present).
  • the inventors recognized that providing a mechanical biomorph in the vertical sections is sufficient for the operating principle of the MEMS transducer, preferably a MEMS loudspeaker.
  • the at least one actuator layer is not continuous, but is only present in the vertical sections, but not in the horizontal sections.
  • any mechanical support layer that may be present runs continuously or that it does not run continuously and is only provided in vertical sections, for example.
  • FIG. 1 A preferred production method for an embodiment with a discontinuous actuator position is illustrated in FIG.
  • a targeted spacer etching of the actuator layer can take place in horizontal sections, so that only the vertical sections of the membrane still have a layer made of an actuator material.
  • a continuous layer made of a mechanical support material can at the same time be dielectric in order to avoid a short circuit between an upper and lower conductive layer (also referred to as top and bottom electrodes).
  • the embodiment is characterized by a particularly effective actuation and high power performance, in which only the vertical sections are specifically stimulated to alternate arching or swinging, while the horizontal sections remain mechanically neutral.
  • the displaced volume can advantageously be increased again per phase of the actuation.
  • an oscillatable membrane in a meandering shape is preferably obtained by applying or etching correspondingly functional layers.
  • a vibratory membrane can also be produced by providing vertical sections and connecting them by means of metal bridges.
  • the vertical sections of the vibratable membrane comprise two layers, a first layer consisting of an actuator material, a second layer consisting of a conductive support material and the vertical sections being connected via horizontal metal bridges.
  • a plurality of individual piezoceramic elements comprising a layer made of a mechanical support material and a layer made of a piezoelectric material, as well as a sacrificial layer, can preferably be provided for this purpose.
  • a membrane with a high degree of efficiency can advantageously be obtained in a robust and process-efficient manner through several method steps comprising a through-hole plating and metal filling as well as stacking and dicing of the piezoceramic elements.
  • a continuous, homogeneous conductive layer is not necessary. Instead, the contacting of the actuator layer in the vertical sections is ensured by the metal bridges and a conductive mechanical support material.
  • the vibratable membrane is coated with a layer made of a non-stick material.
  • non-stick materials are meant, in particular, materials with low surface energies, which are largely inert to the environment and thus avoid the deposition of dust or other undesirable particles.
  • the non-stick materials can be formed by carbon layers, e.g. diamond-like carbon (DLC) layers or also layers comprising perfluorocarbons (PFC), such as polytetrafluoroethylene (PTFT).
  • DLC diamond-like carbon
  • PFC perfluorocarbons
  • PTFT polytetrafluoroethylene
  • the MEMS converter preferably a MEMS loudspeaker, comprises a control unit which is configured to control the at least one electrode so that the two or more vertical sections are excited to horizontal oscillations.
  • the control unit is preferably configured to control the electrodes, which ensures a frequency of the horizontal oscillations between 10 Hz and 20 kHz.
  • the MEMS converter preferably a MEMS microphone
  • the MEMS converter comprises a control unit which is configured to detect an electrical signal provided by the at least one electrode which was generated by horizontal oscillations of the two or more vertical sections.
  • the control unit of a MEMS microphone is preferably configured for picking up and processing an electrical signal which corresponds to a frequency of the horizontal oscillations between 10 Hz and 20 kHz and is therefore set up for sound detection in the audible range.
  • the control unit is therefore preferably configured and set up to control the vibratable membrane (or the actuator position (s) in the vertical sections) to horizontal vibrations and sound emission in the audible frequency range by means of electrical signals, or a corresponding electrical signal when the vibratable membrane is excited record and process.
  • the vertical sections of the membrane are preferably controlled with audio signals.
  • the control for generating sound is therefore significantly simplified.
  • the control unit can preferably comprise a data processing unit.
  • a data processing unit preferably denotes a unit which is suitable and configured for receiving, sending, storing and / or processing data, preferably with a view to controlling the electrodes or receiving an electrical signal provided at the electrodes.
  • the data processing unit preferably comprises an integrated circuit, for example also an application-specific integrated circuit, a processor, a processor chip, microprocessor or microcontroller for processing data, and optionally a data memory, a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM) or a flash memory for storing the data.
  • control unit is integrated in addition to further components of the MEMS transducer (carrier, vibratable membrane) on a printed circuit board or printed circuit board.
  • MEMS transducer carrier, vibratable membrane
  • the MEMS converter is preferably seamlessly integrated with the electronics required for control or detection.
  • other electronic components such as a communication interface (preferably wireless, e.g. Bluetooth), an amplifier, a filter or a sensor system, can also be installed on one and the same printed circuit board.
  • a compact overall solution is advantageously obtained in which a MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be provided together with the desired electronics in a very small space and preferably with inexpensive CMOS processing suitable for mass production.
  • a MEMS converter preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone
  • the vibratable membrane held by the carrier is arranged in a front side of a housing which encloses a rear-side resonance volume.
  • the sound emission of such a MEMS loudspeaker is therefore preferably carried out towards the open front side (sound port), the sound image being improved in particular for lower frequencies by the resonance volume on the rear side.
  • 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 invention relates to a manufacturing method for a MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, as described above, comprising the following steps:
  • At least first layer comprises an actuator material and a second layer comprises a mechanical support material or at least two layers comprise an actuator material
  • the oscillatable membrane (1) for generating or Recording of pressure waves of the fluid in a vertical direction comprises at least two or more vertical sections (2) which are formed parallel to the vertical direction and so that the two or more vertical sections can be excited to horizontal oscillations by controlling the at least one electrode, or so that at Excitation of the two or more vertical sections to horizontal oscillations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
  • MEMS transducer preferably MEMS loudspeakers or MEMS microphones
  • the production method described is preferably used to provide a MEMS transducer with a folded, oscillatable membrane with a meander structure. Examples of preferred manufacturing steps are described in FIGS. 2A-G, 8A-J or FIG. 9.
  • a substrate for. B. one of the preferred materials mentioned above can be used.
  • a blank for example a wafer, can be brought into the desired basic shape of the meander structure.
  • the layers for the vibratable membrane are preferably applied.
  • Applying the at least one layer of a conductive material preferably also includes applying a plurality of layers and in particular a layer system in addition to applying one layer.
  • a layer system comprises at least two layers that are systematically applied to one another.
  • the application of a layer or a layer system preferably serves to define the vibratable membrane comprising vertical sections which can be excited to horizontal vibrations.
  • the application can preferably be selected from the group comprising physical vapor deposition (PVD), in particular thermal evaporation, laser beam evaporation, arc evaporation, molecular beam epitaxy, sputtering, chemical vapor deposition (CVD) and / or atomic layer deposition (ALD).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • the application for example, a deposition, z. B. in the case of a substrate made of polysilicon.
  • Etching and / or structuring can preferably be selected from the group comprising dry etching, wet chemical etching and / or plasma etching, in particular reactive ion etching, reactive ion deep etching (Bosch process).
  • the etching of a substrate is characterized in that the substrate has a crystal structure and a plurality of pockets (trenches) are carried out by etching along a lattice vector of the crystal structure.
  • the pockets are defined as parallel slots from the front of the substrate.
  • the preferred etching along the orientation of a crystal substrate can advantageously result in smooth, quasi-crystalline pockets with a great depth of more than 200 ⁇ m, 300 ⁇ m, 400 ⁇ m, 500 ⁇ m or more with high-precision orientation and negligible roughness.
  • the surface normal of the side surfaces of the pockets is also aligned with the crystal structure, preferably an orthogonal lattice vector.
  • the orientation of the actuator material can also take place in a quasi-crystalline manner.
  • piezoelectric materials such as AIN, AIScN or PZT advantageously have a columnar growth on the side walls of the pockets oriented in this way, which can ensure that the piezoelectric layer has a particularly precise c-axis orientation, which is perpendicular to the surface of the vertical sections of the resulting membrane is present.
  • the etching of a substrate, preferably from a front side, to form a structuring, preferably a meander structure is characterized in that the substrate has a crystal structure and a plurality of pockets (trenches) along a lattice vector are at least partially carried out by wet chemical etching , preferably anisotropic etching depending on the crystal orientation takes place.
  • an etchant is preferably used which has a clearly different etching rate in relation to the crystal orientation of the substrate in two orthogonal crystal orientations.
  • an etching rate can be higher by a factor of 50, 10, 150, 200 or more for the selected substrate in a first crystal orientation than in a second crystal orientation orthogonal thereto.
  • the substrate is preferably oriented in such a way that the first crystal orientation for which there is an increased etching rate is aligned with the surface normal of the substrate surface.
  • Areas on the substrate surface which should not be etched can be defined by means of an etching mask.
  • the etching mask can preferably define a frame in which slots or strips for forming the pockets remain free. Areas which remain between the parallel pockets to be formed can serve as a substrate for the horizontal sections of the membrane.
  • the anisotropic wet-chemical etching then preferably results in etching perpendicular to the substrate surface in order to form deep vertical pockets.
  • the etching in an orthogonal (horizontal) direction is therefore reduced.
  • Particularly good results can be achieved, for example, with potassium hydroxide (KOH) as an etchant for a silicon crystal substrate.
  • KOH potassium hydroxide
  • potassium hydroxide has a clear preferred direction for etching along a ⁇ 110> orientation of a silicon crystal versus a ⁇ 111> orientation.
  • the etching rate for KOH on a silicon monocrystal in a ⁇ 110> direction at 1.455 pm / min can be a factor of 291 higher than in an orthogonal ⁇ 111> orientation (etching rate 0.005 pm / min).
  • FIG. 9 illustrates how, by appropriate alignment of a silicon crystal, almost perfectly smooth and deep pockets can be produced in a robust manner, the side surfaces of which are crystal-oriented in order to ensure c-axis-oriented growth of piezoelectric materials.
  • etchants that depend on the crystal orientation, such as, for example, tetramethylammonium hydroxide (TMAH), can equally be used (cf. Seidel et al 1990, among others).
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • diaphragms capable of oscillating in this way in a meandering shape are also characterized by a particularly precise alignment of the vertical sections, which lead to improved oscillation behavior and therefore sound generation or detection.
  • suitable material such as. B. copper, gold and / or platinum can be deposited by common processes.
  • PVD Physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • electrochemical deposition can preferably be used for this purpose.
  • a finely structured vibratory membrane with a desired definition of vertical and horizontal sections can be provided, which are preferably suspended between two side areas of a stable carrier and have dimensions in the micrometer range.
  • the manufacturing steps are part of standard method steps in semiconductor processing, so that they have proven themselves and are also suitable for mass production.
  • the invention therefore also relates to a MEMS converter that can be produced by the production method as described above.
  • the manufacturing steps such as, for example, a crystal orientation-dependent etching to form deep pockets with a quasi-crystalline smooth surface
  • special features of the manufacturing steps are directly transferred to structural features of the MEMS change.
  • a quasi-crystalline smooth surface of the side surfaces of the pockets as explained above, an oscillatable membrane with a plurality of vertical sections in a meandering shape can be formed in a particularly precise manner.
  • a c-axis orientation of an actuator material, preferably a piezoelectric material can also follow directly from the application of the preferred manufacturing steps.
  • the invention relates to a manufacturing method for a MEMS transducer as described above, comprising the following steps:
  • Providing a plurality of individual piezoceramic elements comprising a sacrificial layer, a layer made of a conductive material and a layer made of a piezoelectric material
  • the piezoceramic elements being contacted with one electrode each, so that an oscillatable membrane, preferably in the form of a lamellar structure, is held by a carrier formed by the substrate, the oscillatable membrane for Generating or receiving pressure waves of the fluid in a vertical direction comprises at least two or more vertical sections, which are formed parallel to the vertical direction and so that by controlling the at least one electrode, the two or more vertical sections can be excited to horizontal oscillations or so when excited of the two or more vertical sections for horizontal oscillations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
  • the average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments of the described MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, also apply to the described manufacturing method and vice versa.
  • the production method described is preferably used to provide a MEMS transducer with an oscillatable membrane with a lamellar structure, the lamellae being mechanical bimorphs and being connected by metal bridges. Examples of preferred manufacturing steps are illustrated in FIGS. 10A-F and FIG.
  • piezoceramic elements can advantageously be used in order to obtain an oscillatable membrane with lamellae as vertical sections, which are connected to one another by metal bridges, by means of a definition of holes, metal filling and stacking and dicing.
  • Piezoceramics are preferably ceramic materials which, when deformed by an external force, show charge separation or undergo a change in shape when an electrical voltage is applied.
  • the piezoceramic elements preferably comprise a piezoelectric layer and a layer made of a mechanical support material, as described above, and also a sacrificial layer.
  • the sacrificial layer is used to process and provide the metal bridges and will not itself be part of the vibratory membrane.
  • the sacrificial layer can preferably be a photoresist or photoresist, for example. These materials change their solubility when exposed to light, especially UV light. In particular, it can be a so-called positive varnish, the solubility of which increases as a result of UV irradiation. In this way, the sacrificial layer can be removed in a targeted manner after a metal filling to provide the metal bridges.
  • the invention relates to a manufacturing method for a MEMS converter comprising the following steps:
  • Providing a plurality of individual piezoceramic elements comprising a layer made of a mechanical support material, which is electrically conductive, and a layer made of a piezoelectric material
  • At least one continuous electrically conductive layer for contacting the piezoceramic elements by means of at least one electrode so that an oscillatable membrane, preferably in the form of a lamellar structure, is held by a carrier, which is formed by the upper and lower frame and where the oscillatable membrane is used to generate or receive of pressure waves of the fluid in a vertical direction comprises at least two or more vertical sections, which are formed parallel to the vertical direction, so that the two or more vertical sections can be excited to horizontal oscillations by controlling the at least one electrode or so that when the two or more vertical sections to horizontal oscillations at which at least one electrode an electrical signal can be generated.
  • FIG. Structured contacting is advantageously dispensed with in the embodiment. Instead, contact is made by means of a continuous conductive surface from a front side and / or a rear side of the MEMS converter.
  • the upper and lower frames are formed from an electrically non-conductive material, for example a polymer.
  • a 3D printing process can preferably be used to shape the frames.
  • a continuous layer of a conductive material is preferably applied from the front (front electrode) or from the rear (backside electrode).
  • the application can take place, for example, using a sputtering process.
  • the average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments of the described MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, also apply to the described manufacturing method and vice versa.
  • the production method described is preferably used to provide a MEMS transducer with an oscillatable membrane with a lamellar structure, the lamellae being mechanical bimorphs and being connected by a continuous layer made of a conductive material, preferably metal.
  • FIG. 1 Schematic representation of a cross section of a preferred embodiment
  • FIG. 2 Schematic representation of a preferred manufacturing method for a
  • MEMS loudspeaker with an oscillating membrane which has a meander shape in cross section.
  • FIG. 5 Schematic representation of a preferred embodiment of a MEMS
  • Loudspeaker with two actuator layers which are separated by a middle layer made of a conductive material.
  • Fig. 6 Schematic representation of preferred controls for operating the MEMS
  • FIG. 7 Schematic representation of a preferred integration of a MEMS
  • Loudspeaker in the front of a housing with a resonance volume on the back.
  • FIG. 8 Schematic representation of a preferred manufacturing method for a
  • MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane which has a meandering shape in cross section, only the vertical sections having a layer made of an actuator material.
  • FIG. 10 Schematic representation of a preferred manufacturing method for a
  • MEMS loudspeaker with an oscillating membrane based on individual piezoceramics.
  • FIG. 12 Schematic representation of a preferred manufacturing method for a
  • MEMS loudspeaker with an oscillating membrane based on individual piezoceramic elements.
  • FIG. 1 illustrates a preferred embodiment of a MEMS loudspeaker according to the invention.
  • FIG. 1 A shows an idle state
  • FIG. 1 B illustrates two phases during the actuation of the MEMS loudspeaker.
  • the MEMS loudspeaker comprises an oscillatable membrane 1 for generating sound waves in a vertical emission direction, the oscillatable membrane 1 being held in a horizontal position by a support 4.
  • the oscillatable membrane 1 has a meandering structure in cross section with horizontal 3 and vertical sections 2.
  • the vertical sections are formed parallel to the emission direction and have at least one actuator layer, for example a layer made of a piezoelectric material.
  • the vibratable membrane 1 and the actuator layer are preferably contacted by means of electrodes at the end.
  • an electrode pad (not shown) can be located on the carrier 4, for example.
  • the vertical sections are preferably mechanical bimorphs, which can be excited to horizontal vibrations by suitable controls.
  • the vertical sections 2 can comprise, for example, a first layer made of an actuator material and a second layer made of a mechanical support material. By controlling the actuator position, a stress gradient and thus a curvature or curvature can be created.
  • the vertical sections 2 comprise two actuator layers which are activated in opposite directions in order to bring about a curvature of the vertical sections 2 by means of a corresponding relative change in shape.
  • FIG. 1B illustrates, by way of example, two phases during an actuation.
  • an increased total volume can be moved in the vertical emission direction and thus used to generate sound.
  • the actuation allows a particularly efficient implementation, since during a phase almost the entire volume of air between the vertical sections can be moved up or down along the emission direction.
  • FIG. 2 schematically shows a preferred production method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane 1 which has a meander shape in cross section.
  • a vibratory membrane with a meandering shape in cross section can also preferably be referred to as a folded membrane or bellows.
  • 2A shows an etching of the substrate 8 from an upper or front side in order to form a structure. In the method step, parallel deep trenches (pockets) are etched into the substrate 8. The molded structure represents a bellows or a meander in cross section.
  • a layer of an etch stop 9 (FIG. 2B) is then applied, which may be TEOS or PECVD, for example.
  • a layer of a mechanical support material 10 (FIG. 2C) and a layer of an actuator material 11 are applied to the etch stop 9.
  • the mechanical support material 10 can be doped polysilicon, for example, while a piezoelectric material is used for the actuator material 10, for example can. For example, 1 ⁇ m may be preferred as layer thicknesses.
  • the piezoelectric material can preferably have a C-axis orientation perpendicular to the surface, so that a transverse piezoelectric effect is used. Other orientations and, for example, the use of a longitudinal effect can also be preferred.
  • FIG. 2E shows the preferred application of a full-area top electrode as a layer made of a conductive material 12. End-side contacting can take place, for example, by means of an electrode pad 13 (FIG. 2F).
  • FIGS. 2F and 2G illustrate a further etching of the substrate 8 from the rear side or
  • the manufacturing steps 2A-G thus obtain an oscillatable membrane 1 which has a meandering structure in cross section.
  • a continuous actuator layer 11 and the provision of end-side contacts 13 advantageously allow the vertical sections 2 to be efficiently actuated to produce horizontal 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) (see Fig. 6A).
  • retaining structures 14 can be provided. As shown in FIGS. 3 and 4, these preferably horizontal sections 3 of the vibratable membrane 1 can be supported.
  • the horizontal sections 3 are advantageously mechanically neutral (cf. FIG. 1 B), so that no undesired stresses are induced between the membrane 1 and the holding structure 14 or carrier 4 during the actuation.
  • the vibratable membrane 1 comprising two actuator layers which are separated by a middle layer made of a conductive material 12, preferably metal.
  • the middle layer is connected to a first electrode pad 13 at the end, while in the embodiment shown the upper actuator layer 11 is in contact with a second electrode pad 13 at the end via a further layer made of a conductive material 12.
  • FIG. 6 illustrates preferred controls for operating the MEMS loudspeakers described.
  • a preferred control for a MEMS loudspeaker with an actuator layer 11 and a passive mechanical support layer 10 is shown in FIG. 6A.
  • the control is preferably carried out by means of two electrode pads 13 at one end, so that the horizontal vibrations can be generated by changing the shape of the actuator material in relation to the mechanical support material.
  • the actuator layer 11 is preferably contacted both from a front side (top electrode 13, conductive layer 10) and from a rear side (bottom electrode 13, conductive mechanical support material 10).
  • An alternating voltage as an audio input signal can, for example, be applied to the front-side electrode pad 13 (left), while the rear-side electrode pad 13 (right) is grounded.
  • 6B shows a preferred control for a MEMS loudspeaker with two actuator layers 11, which are separated by a middle layer made of a conductive material 12, preferably metal.
  • An upper actuator layer 11 is preferably controlled from a front side (top electrode 13 and upper conductive layer 12) and the middle conductive layer 12.
  • a lower actuator layer 11 is preferably controlled from a rear side (bottom electrode 13 and lower conductive layer 12) and the middle conductive layer 12.
  • an alternating voltage can be applied as an audio input signal, for example, to the one for the top and bottom electrode pads 13 (left), while the middle layer 12 is grounded via a further electrode pad 13 (right).
  • FIG. 7 shows an example of a preferred integration of a MEMS loudspeaker according to the invention in a housing 15.
  • the vibratable membrane 1 held by the carrier 4 is preferably arranged in a front side or front side of a housing (sound port).
  • the housing also encloses a rear resonance volume (back volume 16).
  • a ventilation opening 17 can be introduced to avoid acoustic short circuits or to support the sound image.
  • FIG. 8 illustrates an alternative production method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane 1 according to the invention.
  • the method steps shown in FIGS. 8A-D are analogous to FIG. 2.
  • the 8A shows an etching of the substrate 8 from an upper or front side in order 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.
  • a layer of an etch stop 9 (FIG. 2B) is then applied, which may be TEOS or PECVD, for example.
  • a layer of a mechanical support material 10 (FIG. 2C) and an actuator material 11 is applied to the etch stop 9.
  • 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, the actuator layer 11 is etched with a spacer (FIG. 8F) in the horizontal sections of the membrane, so that only the vertical sections of the membrane have a layer made of an actuator material 11.
  • a continuous dielectric layer 18 is then preferably applied to avoid a short circuit between the upper and lower electrodes to be applied later (FIG. 8G).
  • a continuous conductive layer as top electrode 12 allows front-side contacting (FIG. 8H).
  • 8 I and 8 J illustrate a further etching of the substrate 8 from the rear side or underside and optionally the application of a continuous conductive layer 12 as a rear side electrode.
  • FIG. 9 illustrates a preferred provision of a structured substrate 8.
  • parallel deep trenches (pockets) are etched into the substrate 8.
  • the molded structure represents a bellows or, in cross section, a meander, on which an oscillatable membrane can be applied in a meander shape.
  • the preferred provision of the structured substrate 8 in FIG. 9 is characterized by the utilization of a crystal structure of the substrate 8, the pockets being formed along a lattice vector of the crystal structure.
  • the silicon substrate 8 can preferably be aligned with a surface orientation of the Miller indices ⁇ 110>.
  • the lattice vector of the crystal structure ⁇ 110> is therefore preferably perpendicular to the surface of the as yet unstructured substrate.
  • an etching mask 24 for example an S1O2 hard mask, horizontal areas or stripes can be defined on the substrate surface which should not be etched.
  • Anisotropic etching with a preferred direction along the ⁇ 110> orientation of the silicon crystal versus a ⁇ 111> orientation results in smooth and precisely oriented pockets.
  • wet chemical processes can advantageously be used, which are suitable for mass production in a batch process.
  • potassium hydroxide has a clear preferred direction for etching along the ⁇ 110> versus a ⁇ 111> crystal orientation.
  • the etching rate for KOH on a silicon monocrystal is ⁇ 110> 1.455 pm / min, while the etching rate in the ⁇ 111> orientation is only 0.005 pm / min. Due to the anisotropic etching rates, deep pockets with little undercutting can be achieved by means of the wet chemical process.
  • KOH can be applied to a ⁇ 110> oriented silicon substrate for 275 min. Due to the etching rate reduced by a factor of 291 in the orthogonal ⁇ 111> orientation, only an underetching of 1.37 pm will take place during this period. Even a variation in the local strength of the underetching process results in relation to the great depth of the pockets of 400 pm Orientation fluctuations of well below 1 °. Instead, the process can achieve almost perfectly vertical deep pockets with high accuracy, which are characterized by a smooth, quasi-crystalline orientation.
  • the side walls of the pockets on which the vertical sections of the membrane are formed are in a crystal orientation (here: ⁇ 111>).
  • the fact favors a columnar growth of piezoelectric materials, such as AIN or PZT: This makes it possible to ensure in a particularly precise way that the piezoelectric material has a c-axis orientation perpendicular to the surface of the vertical sections, so that a transverse piezoelectric effect can be used.
  • FIG. 10 illustrates a preferred manufacturing method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane based on individual piezoceramics.
  • piezoceramic elements 19 comprising a layer made of a mechanical support material 10 (e.g. doped polysilicon) and a layer made of a piezoelectric material 11 and a sacrificial layer 20 are provided (see FIGS. 10A and 10B).
  • the sacrificial layer 20 can be, for example, a photoresist (photoresist).
  • the layer made of a mechanical support material 10 can be designed to be electrically conductive in order to ensure contact. It is also possible to apply one or two layers of a conductive material 12 to the one layer of a piezoelectric material 11, which are used to make electrical contact with the piezoelectric material.
  • the piezoceramic elements 19 are stacked (FIG. 10 D) and cut (dicing 22, FIG. 10E), so that two or more stacks of Piezoceramic elements 19 are obtained, which are connected by metal bridges 21 (see. Fig. 10E).
  • the stacked piezoceramic elements 19 are introduced into a carrier 4, the first and last piezoceramic elements preferably being contacted with one electrode 13 each (FIG. 10E).
  • an oscillatable membrane 1 is also obtained between a carrier 4, which comprises at least two or more vertical sections 2 for generating sound waves in a vertical emission direction, which are formed parallel to the emission direction and can be excited to horizontal oscillations.
  • the actuator principle is preferably based on a relative change in shape of the actuator layer 11 compared to the mechanical support layer 10.
  • a continuous actuator layer is not necessary for this.
  • the metal bridges 23 in combination with conductive layers 12 ensure that all vertical sections 2 are contacted by end-side control.
  • FIG. 11 illustrates a preferred electrical contacting of the MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane based on individual piezoceramics.
  • Figure 11A is a top view and
  • Figure 11B is a side view of the MEMS speaker.
  • Individual lamellae or vertical sections are controlled in parallel via the electrode pads 13, with U-shaped spacers being present on each side of the lamellae and creating a mechanical and electrical connection to the next lamella.
  • FIG. 12 illustrates an alternative production method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane based on individual piezoceramics.
  • structured contacting can advantageously be dispensed with in the embodiment shown. Instead, as explained below, contact can be made by means of a continuous conductive surface from the front (front electrode) or from the rear (backside electrode).
  • piezoceramic elements 19 comprising a layer made of a mechanical support material 10 (e.g. doped polysilicon) and a layer made of a piezoelectric material 11, are provided.
  • the layer made of a mechanical support material 10 is preferably designed to be electrically conductive.
  • an upper frame 25 and a lower frame 26 are provided, which have recesses or grooves 27 for receiving the piezoceramic elements 19.
  • the upper and lower frames are preferably made of an electrically non-conductive material, for example a polymer.
  • a 3-D printing process can preferably be used to shape the frames.
  • an adhesive which is preferably first introduced into depressions 27 (cf. FIG. 12A). After the piezoceramic elements 19 have been fastened in the respective depressions 27 of the lower frame 26, the adhesive can be applied to the piezoceramic elements 19 so that the upper frame fixes the piezoceramic elements 19 on the upper side (cf. FIG. 12B).
  • a continuous layer of a conductive material, preferably metal, is preferably applied from the front (front electrode) or from the rear (backside electrode). For example, by means of a sputtering process.
  • an oscillatable membrane 1 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 produce horizontal oscillations.
  • the composite frame 25, 26 can function as a support for the vertical sections 2.
  • actuator layer made of an actuator material (actuator layer), preferably made of a piezoelectric material

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Abstract

The invention relates to an MEMS transducer that comprises a vibrating diaphragm (1) for producing or picking up pressure waves in a fluid in a vertical direction, wherein the vibrating diaphragm (1) is held by a support (4) and the vibrating diaphragm (1) has two or more vertical sections (2) that are formed parallel to the vertical direction and comprise at least one layer of an actuator material (11). The ends of the vibrating diaphragm (1) are in contact with an electrode (13), which means that actuation of the at least one electrode (13) allows the two or more vertical sections (2) to be excited to produce horizontal vibrations or which means that excitation of the two or more vertical sections (2) to produce horizontal vibrations results in an electrical signal being able to be generated at the at least one electrode (13).

Description

MEMS-WANDLER MIT ERHÖHTER LEISTUNGSFÄHIGKEIT MEMS CONVERTER WITH INCREASED PERFORMANCE
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Die Erfindung betrifft einen MEMS-Wandler, weicher 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. 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, the oscillating membrane being held by a support and the oscillating membrane having two or more vertical sections which are parallel to the vertical Direction are formed and comprise at least one layer of an actuator material. The vibratable membrane is preferably in contact with an electrode at the end, so that the two or more vertical sections can be excited to horizontal vibrations by controlling the at least one electrode or so that when the two or more vertical sections are excited to horizontal vibrations at the at least one electrode electrical signal can be generated.
Hintergrund und Stand der Technik Background and prior art
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. For the production of compact, mechanical-electronic devices, microsystem technology is used in many fields of application today. The microsystems (microelectromechanical system, MEMS for short) that can be produced in this way are very compact (micrometer range) with excellent functionality and ever lower production costs.
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. MEMS converters such as MEMS loudspeakers or MEMS microphones are also known from the prior art. Current MEMS loudspeakers are mostly designed as planar membrane systems with a vertical actuation of a vibratable membrane in the direction of emission. The excitation takes place, for example, by means of piezoelectric, electromagnetic or electrostatic actuators.
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. A MEMS electromagnetic speaker for mobile devices is described in Shahosseini et al. Described in 2015. The MEMS loudspeaker has a stiffening silicon microstructure as a sound emitter, with the movable part being suspended from a carrier via silicon mainsprings in order to enable large displacements out of the plane by means of an electromagnetic motor.
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 pm oder großflächige Membranen im Quadratzentimeterbereich notwendig. Beide Bedingungen sind mittels einer MEMS-Technologie nur schwer zu realisieren. Stoppel et al. 2017 reveals a two-way loudspeaker whose concept is based on concentric piezoelectric actuators. As a special feature, the vibration diaphragm is not designed to be closed, but rather includes eight piezoelectric unimorph actuators, each of which consists of a piezoelectric and a passive layer. The outer woofers consist of four trapezoidal actuators clamped on one side, while the inner tweeters are formed by four triangular actuators, which are connected to a rigid frame by means of a spring. The separation of the membrane should allow an improved sound image with higher power. A disadvantage of such planar MEMS loudspeakers is their limitation with regard to the sound power, in particular at low frequencies. One reason for this is that the sound pressure level that can be generated is proportional to the square of the frequency for a given deflection. For sufficient sound power, either deflections for the vibration diaphragms of at least 100 μm or large-area diaphragms in the square centimeter range are necessary. Both conditions are difficult to implement using MEMS technology.
Im Stand der Technik wurde daher vorgeschlagen MEMS-Lautsprecherzu 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. In the prior art, it has therefore been proposed to design MEMS loudspeakers which do not have a closed membrane for vibrations in the vertical emission direction, but a large number of movable elements that can be excited to lateral or horizontal vibrations. It is advantageous here that an increased volume flow can be moved over a small area and thus an increased sound power can be provided.
Ein auf diesem Prinzip basierender MEMS-Lautsprecher wird beispielsweise in der US 2018 /A MEMS loudspeaker based on this principle is used, for example, in US 2018 /
0179048 A1 bzw. Kaiser et al. 2019 offenbart. 0179048 A1 or Kaiser et al. Revealed in 2019.
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. The MEMS loudspeaker comprises a plurality of electrostatic bending actuators, which are arranged between a top and bottom wafer as vertical lamellas and can be excited to lateral vibrations by appropriate control. Here, an inner lamella forms an actuator electrode opposite two outer lamellae. With the exception of a connection node between the electrodes, which are still galvanically separated, there is an air gap between the three curved lamellae. If there is a potential inside against outside, this leads to a mutual attraction due to the curvature of the design in the direction of a preferred direction, which is specified by an anchor. The bulges of the outer lamellae are used for mobility. The restoring force is given by a mechanical spring force. A pull-push operation is therefore not possible.
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. Another disadvantage is that gaps between the bending actuators and the top / bottom wafers, which are necessary for their mobility, lead to ventilation between the two chambers. This limits the lower limit frequency. Furthermore, the lateral movement of the bending actuators and therefore the sound power are restricted in order to avoid a pull-in effect and acoustic breakdown.
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. An alternative air pulse or sound generation system based on MEMS is described in US 2019/011 64 17 A1. The device comprises a front and rear chamber and a plurality of valves, the front and rear chambers being separated from one another by means of a folded membrane. In one embodiment, the folded membrane has a rectangular meandering structure with horizontal and vertical sections in cross section. Piezo actuators are positioned on the respective horizontal sections in order to bring about a lateral movement of the vertical sections by synchronized expansion or compression of the horizontal sections. With the proposed principle, an increased volume flow and thus sound power can also be generated on a small chip surface. The disadvantage, however, is the increased effort for the synchronized drive of the piezo actuators. There is also potential for improvement with regard to the volume displaced by the lateral vibrations, which is limited by the geometric arrangement of the horizontal sections actuated on one side.
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. From US 2002/006208 A1 and JP 3 919695 B2 a piezoelectric loudspeaker is known in which two piezoelectric films are formed into a diaphragm with an accordion shape. When folded, the diaphragm is clamped in at the sides by a wave-shaped pair of plates, which are fixed, for example, by means of screw connections and, as a composite side frame, stabilize the vibrating diaphragm. Several electrodes in a structured form are applied to the wave crests and troughs of the diaphragm and are isolated from one another by strips of non-conductive material. To control the electrodes, electrode lines are arranged in the plate pair or side frame. Alternatively, the pair of plates can also be formed at least partially from a conductive material.
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. The macroscopic piezoelectric loudspeaker US 2002/006208 A1 and JP 3 919695 B2 is obtained in an assembly process which cannot be miniaturized in an obvious manner in order to obtain a MEMS loudspeaker. In particular, the intended clamping of the diaphragm in a two-part side frame, the structured application of multiple electrodes on wave crests and valleys of the diaphragm or the connection of the electrodes to electrode lines in the side frame cannot be transferred to a MEMS process.
Im Lichte der Nachteile des Standes der Technik besteht somit ein Bedarf an alternativen oder verbesserten Lösungen für MEMS-basierte Lautsprecher. In light of the disadvantages of the prior art, there is thus a need for alternative or improved solutions for MEMS-based loudspeakers.
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
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. The object of the invention is to provide a MEMS converter, in particular a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, and a method for producing the MEMS converter, which do not have the disadvantages of the prior art. In particular, it was an object of the invention to provide a powerful MEMS loudspeaker or MEMS microphone with high sound quality or audio quality, which is characterized at the same time by a simple, inexpensive and compact structure.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. The object is achieved by the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are described in the dependent claims.
Die Erfindung betrifft bevorzugt einen MEMS-Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids umfassend The invention preferably relates to a MEMS converter for interaction with a volume flow of a fluid
- einen Träger, - a carrier,
- eine schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung, wobei die schwingfähige Membran von dem Träger gehalten wird und wobei die schwingfähige Membran zwei oder mehr vertikale Abschnitte aufweist, welche im Wesentlichen 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 im Wesentlichen horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte zu im Wesentlichen horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.an oscillatable membrane for generating or absorbing pressure waves of the fluid in a vertical direction, the oscillatable membrane being held by the carrier and wherein the vibratable membrane has two or more vertical sections which are formed essentially parallel to the vertical direction and comprise at least one layer of an actuator material, the vibratable membrane being in contact with at least one electrode at the end so that the at least one electrode is controlled two or more vertical sections can be excited to essentially horizontal oscillations or so that when the two or more vertical sections are excited to essentially horizontal oscillations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
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 The MEMS converter can particularly preferably be a MEMS loudspeaker. In a particularly preferred embodiment, the invention relates to a MEMS loudspeaker comprising
- einen Träger, - a carrier,
- 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 im Wesentlichen 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 im Wesentlichen horizontalen Schwingungen angeregt werden können. An oscillatable membrane for generating sound waves in a vertical emission direction, the oscillatable membrane being held by the carrier, the oscillatable membrane having two or more vertical sections which are essentially parallel to the emission direction and comprise at least one layer of an actuator material , wherein the vibratory membrane is preferably in contact at the end with at least one electrode, so that the two or more vertical sections can be excited to essentially horizontal vibrations by controlling the at least one electrode.
Durch die Konstruktionsweise des MEMS-Lautsprecher kann ein MEMS-Lautsprecher mit hoher Schalleistung und vereinfachter Ansteuerung erhalten werden. Due to the construction of the MEMS loudspeaker, a MEMS loudspeaker with high sound power and simplified control can be obtained.
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 pm 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. In contrast to known planar MEMS loudspeakers, the vibratory membrane itself does not have to be operated over a large area of several square centimeters or with a deflection of more than 100 μm in order to generate sufficient sound pressure. Instead, the majority of the vertical sections of the vibratable membrane can move an increased total volume in the vertical emission direction with small horizontal or lateral movements of a few micrometers.
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. Compared to solutions according to US 2018/0179048 A1 or Kaiser et al. In 2019, the claimed MEMS loudspeaker is characterized by a simplified structure, control and manufacturing process.
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. In particular, the provision of the vertical lamellae or bending actuators for a MEMS loudspeaker according to Kaiser et al. 2019 is complex. In addition, sufficiently precise vertical etchings are only possible for limited lamella heights, which limits the sound power.
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. By means of the solution according to the invention, the vertical sections of the oscillatable membrane can instead be obtained in MEMS design by means of simple manufacturing steps, as will be explained in detail below. In addition, the actuator principle according to the invention avoids pull-in or sticking of the vertical sections. in the In contrast to the solution by Kaiser et al. In 2019, no potential differences are obtained in a gap between the vertical sections due to the one-sided electrodes. In addition to avoiding an overvoltage or a pull-in, this can also reduce the accumulation of dust, since, for example, an external electrode can be connected to a ground potential.
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. Another particular advantage of the MEMS loudspeaker described is the simplified control. While in US 2019/011 64 17 A1 a large number of piezoelectric actuators have to be contacted on the horizontal sections, the proposed MEMS loudspeaker can be operated by means of at least one end electrode. This reduces the manufacturing effort, minimizes sources of error and also inherently leads to a synchronous control of the vertical sections to horizontal oscillations.
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.In this way, the air volumes which are present between the vertical sections can be moved extremely precisely by the horizontal oscillations along the vertical emission direction. The result is an improved sound image, even with high sound power levels.
Ein „MEMS-Lautsprecher“ bezeichnet bevorzugt einen Lautsprecher, welcher auf einer MEMS- Technologie basiert und dessen klangerzeugende Strukturen mindestens teilweise eine Dimensionierung im Mikrometerbereich (1 pm bis 1000 gm) aufweisen. Bevorzugt können beispielsweise die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran in Breite, Höhe und/oder Dicke eine Dimension im Bereich von weniger als 1000 pm 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. A “MEMS loudspeaker” preferably denotes a loudspeaker which is based on MEMS technology and whose sound-generating structures are at least partially dimensioned in the micrometer range (1 μm to 1000 gm). For example, the vertical sections of the oscillatable membrane can preferably have a dimension in the range of less than 1000 μm in terms of width, height and / or thickness. It can also be preferred here that, for example, only the height of the vertical sections are dimensioned in the micrometer range, while, for example, the length can have a larger dimension and / or the thickness can have a smaller size.
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. The design of the vibratory membrane can advantageously not only be used to form a MEMS loudspeaker with high sound power and simplified control. Likewise, for example, the provision of a particularly powerful MEMS microphone with high audio quality is made possible.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung somit zudem ein MEMS-Mikrofon umfassend In a preferred embodiment, the invention thus also relates to a MEMS microphone comprising
- einen Träger, - a carrier,
- 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. an oscillatable membrane for receiving sound waves in a vertical direction, wherein the oscillatable membrane is held by the carrier, and wherein the oscillatable 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 , wherein the vibratory membrane is preferably in contact at the end with at least one electrode, so that when the two or more vertical sections are excited into horizontal vibrations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated. The structure of the MEMS microphone is structurally similar to that of the MEMS loudspeaker, particularly with regard to the design of the vibratable membrane. Instead of controlling the electrodes to generate horizontal vibrations and therefore sound pressure waves, the MEMS microphone is designed to pick up sound pressure waves in the same vertical direction. Thus, there are preferably air volumes between the vertical sections which are moved along a vertical detection direction when sound waves are picked up. The vertical sections are excited to vibrate horizontally by the sound pressure waves, so that the actuator material generates a corresponding periodic electrical signal.
Ein „MEMS-Mikrofon“ bezeichnet bevorzugt ein Mikrofon, welches auf einer MEMS-Technologie basiert und dessen klangaufnehmende Strukturen mindestens teilweise eine Dimensionierung im Mikrometerbereich (1 pm bis 1000 gm) aufweisen. Bevorzugt können beispielsweise die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran in Breite, Höhe und/oder Dicke eine Dimension im Bereich von weniger als 1000 pm 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. A “MEMS microphone” preferably denotes a microphone which is based on MEMS technology and whose sound-picking structures are at least partially dimensioned in the micrometer range (1 pm to 1000 gm). For example, the vertical sections of the oscillatable membrane can preferably have a dimension in the range of less than 1000 μm in terms of width, height and / or thickness. It can also be preferred here that, for example, only the height of the vertical sections are dimensioned in the micrometer range, while, for example, the length can have a larger dimension and / or the thickness can have a smaller size.
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 pm bis 1000 pm) 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. The term MEMS converter is therefore to be understood as meaning both a MEMS microphone and a MEMS loudspeaker. In general, the MEMS converter denotes a converter for interaction with a volume flow of a fluid, which is based on MEMS technology and whose structures for interaction with the volume flow or for absorbing or generating pressure waves of the fluid are dimensioned in the micrometer range (1 pm to 1000 pm ) exhibit. The fluid can be either a gaseous or a liquid fluid. The structures of the MEMS transducer, in particular the vibratory membrane, are designed to generate or absorb pressure waves from the fluid.
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). For example, as in the case of a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, they can be sound pressure waves. The MEMS converter can, however, also be suitable as an actuator or sensor for other pressure waves. The MEMS converter is therefore preferably a device that converts pressure waves (e.g. acoustic signals as sound pressure) into electrical signals or vice versa (conversion of electrical signals into pressure waves, e.g. acoustic signals).
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. The MEMS converter can also be used as an energy harvester, using alternating pneumatic or hydraulic pressures. In these cases, the electrical signal can be dissipated as generated electrical energy, stored or fed to other (consumer) devices.
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. At the end, preferably means a positioning of the at least one electrode so that contact with electronics, for example a current or voltage source in the case of a MEMS loudspeaker, can take place at one end of the vibratable membrane, preferably at one end at which the membrane is attached The carrier is suspended. Electrode preferably means an area made of a conductive material (preferably a metal) which is used for such contact with electronics, for example a current and / or voltage source in the Case of a MEMS speaker. It can preferably be an electrode pad. The electrode pad is particularly preferably used to make contact with electronics and is itself connected to a conductive metal layer which can extend over the entire surface of the vibratory membrane. In the following, the conductive layer is sometimes referred to together with an electrode pad as an electrode, for example as a top electrode or bottom electrode.
Besonders bevorzugt liegt die Lage aus einem leitfähigem Material, bevorzugt Metall, im Sinne einer Top- oder Bottomelektrode als eine durchgängige bzw. ganzflächige oder zusammenhängende Schicht der schwingfähigen Membran vor, welche eine im Wesentlichen homogene Fläche bildet und insbesondere nicht strukturiert wird. Stattdessen werden bevorzugt mittels einer un strukturierten Lage aus einem leitfähigem Material, bevorzugt Metall, die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte mit der endseitigen Elektroden bzw. dem Elektrodenpad kontaktiert. Particularly preferably, the layer made of a conductive material, preferably metal, in the sense of a top or bottom electrode, is a continuous or full-area or contiguous layer of the vibratable membrane, which forms an essentially homogeneous surface and is in particular not structured. Instead, the two or more vertical sections are preferably contacted with the end-side electrodes or the electrode pad by means of an unstructured layer made of a conductive material, preferably metal.
Vorteilhaft ist es insbesondere nicht notwendig für verschiedene vertikale Abschnitte der schwingfähigen Membran separate Kontaktierungsbereiche zu schaffen. Im Gegensatz zu dem Ansatz für einen makroskopischen piezoelektrischen Lautsprecher gemäß der US 2002/006208 A1 und JP 3 919695 B2 ist die Aufbringung einer strukturierten Top- oder Bottomelektrode nicht notwendig. Stattdessen kann jeweils eine Top- oder Bottomelektrode als eine zusammenhängende Lage aus einem leitfähigen Material aufgetragen werden, welche mittels mindestens einer endseitigen Elektrode bzw. eines Elektrodenpads kontaktiert wird. Der Herstellungsprozess wird hierdurch wesentlich vereinfacht und erlaubt die Bereitstellung miniaturisierter MEMS-Wandler in großer Stückzahl mittels eines Batchprozesses. In particular, it is advantageously not necessary to create separate contact areas for different vertical sections of the vibratable membrane. In contrast to the approach for a macroscopic piezoelectric loudspeaker according to US 2002/006208 A1 and JP 3 919695 B2, the application of a structured top or bottom electrode is not necessary. Instead, a top or bottom electrode can be applied as a cohesive layer made of a conductive material, which is contacted by means of at least one end electrode or an electrode pad. This significantly simplifies the manufacturing process and allows miniaturized MEMS transducers to be made available in large numbers by means of a batch process.
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. In preferred embodiments, the MEMS transducer comprises two electrodes at the end. Preferably, the contact with electronics, e.g. a current or voltage source, can be made with the electrodes at opposite ends of the vibratory membrane, between which the two or more vertical sections are present, so that the actuator layer (s) in the vertical sections by means of the end electrodes can be controlled.
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. The end-side provision of the electrodes is thus preferably distinguished from a contact which controls the respective vertical sections with respective separate electrodes or, in the case of a MEMS microphone, picks up electrical signals generated. The MEMS converter thus preferably comprises exactly one or exactly two electrodes for contacting the end and no further electrodes (pads) for contacting central vertical sections.
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. The layer made of an actuator material in the vertical sections is preferably used as part of a mechanical biomorph, with a lateral curvature of the vertical sections being caused by controlling the actuator layer via the electrode or with a corresponding electrical signal being generated by an induced lateral curvature.
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. In a preferred embodiment, the two or more vertical sections have at least two layers, one layer comprising an actuator material and a second layer comprising a mechanical support material and at least the layer comprising the Actuator material and is present in contact with an end electrode, so that the horizontal vibrations can be generated by changing the shape of the actuator material compared to the mechanical support material. In the embodiment, the mechanical bimorph is formed by a layer of actuator material (for example a piezoelectric material) and a passive layer, which functions as a mechanical support layer. Both a transverse and a longitudinal piezo effect can be used for the bending.
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. When the actuator position is activated, it can experience, for example, 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 oscillation. As illustrated in FIG. 1, a push-pull operation can preferably take place by changing polarity on the electrodes, whereby almost the entire air volume between the vertical sections can alternately be moved in the vertical emission direction.
Vorteilhaft an dem Aktuatorprinzip ist somit eine hoch effiziente Übersetzung der horizontalen Schwingungen vertikaler Abschnitte in eine vertikale Volumenbewegung bzw. Schallerzeugung.The advantage of the actuator principle is therefore a highly efficient translation of the horizontal vibrations of vertical sections into a vertical volume movement or sound generation.
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. Since the actuator principle is not based on electrostatic attraction, but on a relative change in shape (e.g. compression, stretching, shear) of the actuator layer in relation to a support layer, sticking of the membrane sections can be excluded. Instead, the vertical sections can finally touch and are therefore not restricted in their deflection.
In einerweiteren 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. In a further preferred embodiment, the two or more vertical sections comprise at least two layers, both layers comprising an actuator material and being in contact with electrodes at each end and the horizontal vibrations being able to be generated by changing the shape of one layer compared to the other layer. In the embodiment, the horizontal oscillation of the vertical sections is therefore not generated by a stress gradient between an active actuator layer and a passive support layer, but rather by a relative change in shape of two active actuator layers.
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. The actuator layers can consist of the same actuator material and can be controlled differently. The actuator layers can also consist of different actuator materials, for example of piezoelectric materials with different deformation coefficients.
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. In the context of the invention, 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, undergoes a change in shape, for example an expansion, compression or shear, or, conversely, generates an electrical voltage with a change in shape.
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. Preference is given to materials with electric dipoles which experience a change in shape when an electric voltage is applied, the orientation of the dipoles and / or the electric field being able to determine the preferred direction of the changes in shape. The actuator material can preferably be a piezoelectric material, a polymer piezoelectrical material and / or electroactive polymers (EAP).
Besonders bevorzugt ist das piezoelektrisch Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-Scandium-Nitrid (AIScN) und Zinkoxid (ZnO). The piezoelectric material is particularly preferably selected from a group comprising lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AlN), aluminum scandium nitride (AIScN) and zinc oxide (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 Polymermateriali ist Polyvinylidenfluorid. The polymer piezoelectric materials preferably include polymers which have internal dipoles and thus piezoelectric properties. This means that when an external electrical voltage is applied, the piezoelectric polymer materials (analogous to the aforementioned classic piezoelectric materials) experience a change in shape (e.g. compression, stretching or shear). An example of a preferred piezoelectric polymer material is polyvinylidene fluoride.
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. This enables a macroscopic solution to be implemented in which a polymer piezoelectrical material layer is applied to a mechanical support layer and is wound over an upper and lower comb. A polymer piezoelectrical material layer (including electrode) is preferably first provided on a support layer (possibly including a counter electrode). Subsequently, an upper and a lower comb (preferably a MEMS structure) are moved against one another in such a way that a folded membrane with actuatable vertical sections is created.
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 nicht- leitend sein und beispielsweise mit einer elektrisch leitfähigen Lage beschichtet vorliegen. In the context of the invention, the “layer comprising a mechanical support material” is preferably also referred to as a support layer or support layer. The mechanical support material or the support layer preferably serves as a passive layer which can withstand a change in shape of the actuator layer. In contrast to an actuator layer, the mechanical support material preferably does not change its shape when an electrical voltage is applied. The mechanical support material is preferably electrically conductive, so that it can also be used directly for contacting the actuator layer. However, in some embodiments it can also be non-conductive and, for example, be coated with an electrically conductive layer.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mechanischen Stützmaterial um monokristallines Silizium, ein Polysilizium oder ein dotiertes Polysilizium. The mechanical support material is particularly preferably monocrystalline silicon, a polysilicon or a doped polysilicon.
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 pm und 2 gm, als besonders geeignet erwiesen.While the actuator position undergoes a change in shape when an electrical voltage is applied, the position of the mechanical support material remains essentially unchanged. The resulting stress gradient between the two layers (mechanical bimorph) preferably causes a horizontal curvature. For this purpose, 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. For doped polysilicon as a mechanical support material and a piezoelectric material such as PZT or AlN, for example, a thickness of essentially the same size, preferably between 0.5 μm and 2 μm, has proven to be particularly suitable.
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. Terms such as essentially, approximately, about, etc. preferably describe a tolerance range of less than ± 20%, preferably less than ± 10%, even more preferably less than ± 5% and in particular less than ± 1%. Details of essentially, approximately, approximately, etc. disclose and always also include the exact stated value. With periodic control of the actuator position, for example by means of an alternating voltage, horizontal vibrations for sound emission can thus be generated quickly and precisely.
Für die Gewährleistung einer horizontalen Schwingung kann bevorzugt das piezoelektrische Material einer C-Achsen-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. To ensure horizontal oscillation, the piezoelectric material can preferably have a C-axis orientation perpendicular to the surface of the vertical sections, so that a transverse piezoelectric effect is used. Other orientations and, for example, the use of a longitudinal piezoelectric effect to form the horizontal arches or vibrations (cf. FIG. 1) can also be preferred.
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,Contacting the actuator layer and / or the layer made of a mechanical support material and thus the application of an electrical voltage can take place directly via the end electrodes or be supported by a layer made of a conductive material,
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die schwingfähige Membran daher mindestens eine Lage aus einem leitfähigen Material. In a preferred embodiment, the vibratory membrane therefore comprises at least one layer made of a conductive material.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das leitfähige Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Platin, Wolfram, (dotiertes) Zinnoxid, monokristallines Silizium, Polysilizium,In preferred embodiments, the conductive material is selected from a group comprising platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon,
Molybdän, Titan, Tantal, Titan-Wolfram Legierung, Metallsilizid, Aluminium, Graphit und Kupfer.Molybdenum, titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite and copper.
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. The directional information vertical and horizontal (or lateral) preferably relate to a preferred direction in which the oscillatable membrane is oriented for generating or absorbing pressure waves of the fluid. The vibratory membrane is preferably suspended horizontally between at least two side regions of a carrier, while the vertical direction (direction of interaction with the fluid) for generating or absorbing pressure waves is orthogonal thereto. In the case of a MEMS loudspeaker, the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound emission direction of the MEMS loudspeaker. In this case, vertical preferably means the direction of the sound emission, while horizontal means a direction orthogonal to it. In the case of a MEMS microphone, the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound detection direction of the MEMS microphone. In this case, vertical preferably means the direction of sound detection or recording, while horizontal means a direction orthogonal thereto.
Die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran bezeichnen somit bevorzugt Abschnitte der schwingfähigen Membran, welche im Wesentlichen in Emissionsrichtung eines MEMS- Lautsprechers bzw. Detektionsrichtung eines MEMS-Mikrofons ausgerichtet sind. Der Fachmann versteht, dass es sich nicht um eine exakte vertikale Ausrichtung handeln muss, sondern bevorzugt die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran im Wesentlichen in Emissionsrichtung eines MEMS-Lautsprechers bzw. Detektionsrichtung eines MEMS-Mikrofons ausgerichtet sind. The vertical sections of the vibratable membrane thus preferably designate sections of the vibratable membrane which are essentially aligned in the emission direction of a MEMS loudspeaker or the detection direction of a MEMS microphone. The person skilled in the art understands that it does not have to be an exact vertical alignment, but rather the vertical sections of the oscillatable membrane are preferably aligned essentially in the emission direction of a MEMS loudspeaker or the detection direction of a MEMS microphone.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die vertikalen Abschnitte im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung ausgerichtet, wobei im Wesentlichen parallel einen Toleranzbereich von ±In a preferred embodiment, the vertical sections are aligned essentially parallel to the vertical direction, with essentially parallel a tolerance range of ±
30°, bevorzugt ± 20°, besonders bevorzugt ± 10° um die vertikale Richtung meint. Die schwingfähige Membran kann mithin bevorzugt im Querschnitt nicht nur eine rechteckige Mäanderform aufweisen, sondern ebenso eine kurvige bzw. wellige Form oder eine Sägezahnform (Zick-Zack- Form) aufweisen. 30 °, preferably ± 20 °, particularly preferably ± 10 ° around the vertical direction means. The oscillatable membrane can therefore preferably not only have a rectangular meander shape in cross section, but also have a curved or wavy shape or a sawtooth shape (zigzag shape).
Vorzugsweise sind die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte mindestens abschnittsweise oder über deren gesamte Länge geradlinig, die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte können jedoch auch mindestens abschnittsweise oder über deren gesamte Länge kurvig ausgestaltet sein. Im Falle einer kurvigen bzw. welligen Form der schwingfähigen Membran im Querschnitt bezieht sich die Ausrichtung bevorzugt auf eine Tangente an den kurvenförmigen vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte an deren jeweiligen Mittelpunkten. The vertical and / or horizontal sections are preferably rectilinear at least in sections or over their entire length, but the vertical and / or horizontal sections can also be designed to be curved at least in sections or over their entire length. In the case of a curved or wavy shape of the oscillatable membrane in cross section, the alignment preferably relates to a tangent to the curved vertical and / or horizontal sections at their respective midpoints.
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. While the vibratable membrane is preferably oriented horizontally to the direction of sound emission or sound detection, the sound waves are generated by actuation of the vertical sections or vice versa.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Träger zwei Seitenbereiche zwischen welchen die schwingfähige Membran in horizontaler Richtung angeordnet vorliegt.In a preferred embodiment of the invention, the carrier comprises two side areas between which the vibratable membrane is arranged in the horizontal direction.
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.The carrier is preferably a frame structure which is essentially formed by a continuous outer border in the form of side walls of a flat area that remains free. The frame structure is preferably stable and rigid.
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. In the case of an angular frame shape (triangular, square, hexagonal or generally polygonal outline), the individual side regions, which preferably essentially form the frame structure, are called in particular side walls.
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. The oscillatable membrane is preferably held by at least two side walls of the carrier. In the exemplary FIGS. 1-9, the two side walls can be seen in cross section. Preferably, however, the carrier preferably comprises four side areas, with additional end faces, as a rule parallel to the cross-section shown. These other two side walls span the frame structure.
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 im Wesentlichen 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. The oscillatable membrane is preferably hung flat within the area that remains free. The two-dimensional expansion of the vibratable membrane characterizes a horizontal direction, while the vertical sections are essentially orthogonal to it. With regard to the end faces, the membrane can be adhered to these side walls or be slotted there for the purpose of greater mobility. The slot can advantageously represent a dynamic high-pass filter which, for example, couples a front volume and a rear volume to one another.
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. In a preferred embodiment of the invention, 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.
Diese Materialien sind in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemherstellung einfach und kostengünstig zu bearbeiten und eignen sich für eine Herstellung im großen Maßstab. Die Trägerstruktur kann aufgrund der Materialien und/oder Herstellungsweisen flexibel hergestellt werden. Insbesondere ist bevorzugt eine Herstellung des MEMS-Wandlers umfassend eine schwingfähige Membran zusammen mit einem Träger in einem (Halbleiter-)prozess, bevorzugt auf einem Wafer möglich. Hierdurch wird die Herstellung weiter vereinfacht und verbilligt, sodass kostengünstig ein kompakter und robuster MEMS-Wandler bereitgestellt werden kann. These materials are easy and inexpensive to process in semiconductor and / or microsystem production and are suitable for large-scale production. The carrier structure can be manufactured flexibly due to the materials and / or manufacturing methods become. In particular, it is preferably possible to manufacture the MEMS transducer comprising an oscillatable membrane together with a carrier in a (semiconductor) process, preferably on a wafer. This further simplifies and makes production cheaper, so that a compact and robust MEMS converter can be provided at low cost.
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.In a preferred embodiment, the vibratory membrane is formed by a lamellar structure or a meandering structure. The specification of a lamellar or meandering structure preferably relates to the shape of the oscillatable membrane in cross section.
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 im Wesentlichen 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. A lamellar structure preferably denotes an arrangement of similar, parallel layers, which preferably form the vertical sections. The individual lamellae are preferably aligned with their area essentially parallel to the vertical direction, preferably an emission or detection direction. The lamellae are preferably constructed in several layers and form a mechanical biomorph. For example, the slats can each include an actuator layer and a passive layer made of a support material and / or two differently controllable actuator layers.
Der Fachmann versteht, dass es sich nicht um eine exakte parallele Ausrichtung der Lamellen zur vertikalen Richtung handeln muss, um sondern die Lamellen bevorzugt im Wesentlichen in Emissionsrichtung eines MEMS-Lautsprechers bzw. Detektionsrichtung eines MEMS-Mikrofons ausgerichtet vorliegen. The person skilled in the art understands that the lamellae need not be aligned exactly parallel to the vertical direction, but rather the lamellae are preferably aligned essentially in the emission direction of a MEMS loudspeaker or the detection direction of a MEMS microphone.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die vertikalen Abschnitte bzw. Lamellen im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung ausgerichtet, wobei im Wesentlichen parallel einen Toleranzbereich von ± 30°, bevorzugt ± 20°, besonders bevorzugt ± 10° um die vertikale Richtung meint. In a preferred embodiment, the vertical sections or lamellae are aligned essentially parallel to the vertical direction, wherein essentially parallel means a tolerance range of ± 30 °, preferably ± 20 °, particularly preferably ± 10 ° around the vertical direction.
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. It can be preferred here that the lamellae are flat, which means in particular that their extension in each of the two dimensions (height, width) of their area is greater than in a dimension perpendicular thereto (the thickness). For example, size ratios of at least 2: 1, preferably at least 5: 1, 10: 1 or more can be preferred.
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. The oscillatable membrane preferably has a multiplicity of lamellae which form the vertical sections. For example, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 or more slats may be preferred. This results in a high degree of efficiency for a desired sound emission or sound detection in a very small space.
In der Ausführungsform wird die schwingfähige Membran bevorzugt durch die Lamellen als vertikale Abschnitte gebildet, welche über leitfähige Brücken oder horizontale Abschnitte miteinander verbunden sind. Als Brücken eignen sich beispielsweise Metallbrücken (vgl. Fig. 10) 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 im Wesentlichen 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. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass die Mäanderstruktur im Querschnitt eine Sägezahnform (Zick-Zack- Form) aufweist oder kurvenförmig bzw. wellenförmig ausgestaltet ist. Dies ist insbesondere der Fall, sofern die vertikalen Abschnitte nicht exakt parallel mit der vertikalen Emissions- oder Detektionsrichtung ausgerichtet vorliegen, sondern einen Winkel beispielsweise von ± 30°, bevorzugt ± 20°, besonders bevorzugt ± 10° mit der vertikalen Richtung einschließen. In the embodiment, the vibratory membrane is preferably formed by the lamellae as vertical sections, which are connected to one another via conductive bridges or horizontal sections. Metal bridges (cf. FIG. 10) or bridges made of other conductive materials are suitable as bridges. On the one hand, the conductive bridges ensure the mechanical integrity of the vibrating membrane. On the other hand, the conductive bridges advantageously allow contact to be made with all of the lamellae by means of electrodes at the end. Advantageously, the lamellas can be excited synchronously with horizontal vibrations or detect the same with little control and manufacturing effort. A meander structure preferably denotes a structure formed from a sequence of mutually essentially orthogonal sections in cross section. The mutually orthogonal sections are preferably vertical and horizontal sections of the oscillatable membrane. The meandering structure is particularly preferably rectangular in cross section. However, it can also be preferred that the meandering structure has a sawtooth shape (zigzag shape) in cross section or is designed in the shape of a curve or wave. This is particularly the case if the vertical sections are not aligned exactly parallel to the vertical emission or detection direction, but rather enclose an angle of, for example, ± 30 °, preferably ± 20 °, particularly preferably ± 10 °, with the vertical direction.
Die horizontalen Abschnitte können in bevorzugten Ausführungsformen ebenfalls nicht exakt unter einem orthogonalen Winkel von 90° zur vertikalen Emissions- oder Detektionsrichtung stehen, sondern beispielsweise einen Winkel zwischen 60° und 120°, bevorzugt zwischen 70° und 110°, besonders bevorzugt zwischen 80° und 100° mit der vertikalen Richtung einschließen.In preferred embodiments, the horizontal sections can likewise not be exactly at an orthogonal angle of 90 ° to the vertical emission or detection direction, but for example an angle between 60 ° and 120 °, preferably between 70 ° and 110 °, particularly preferably between 80 ° and Include 100 ° with the vertical direction.
Im Falle einer kurvenförmigen bzw. welligen Form der vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte der schwingfähigen Membran im Querschnitt bezieht sich die Ausrichtung bevorzugt auf eine Tangente an die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte an deren jeweiligen Mittelpunkten.In the case of a curved or wavy shape of the vertical and / or horizontal sections of the oscillatable membrane in cross section, the alignment preferably relates to a tangent to the vertical and / or horizontal sections at their respective midpoints.
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. The meander structure thus preferably corresponds to a membrane folded along its width. For the purposes of the invention, an oscillatable membrane can therefore preferably also be referred to as a bellows. The parallel folds of the bellows preferably form the vertical sections. The connecting sections between the folds preferably form the horizontal sections. The vertical sections are preferably longer than the horizontal sections, for example by a factor of 1, 5, 2, 3, 4 or more.
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. With regard to the function of a vibrating membrane in a meandering shape for generating or receiving sound waves, the vertical sections are decisive, analogously to the lamellae described above. The vertical sections are preferably constructed in several layers and form a mechanical biomorph. For example, the vertical sections can each include an actuator layer and a passive layer made of a support material and / or two differently controllable actuator layers. The horizontal sections of the folded membrane can preferably be constructed identically to the vertical sections (cf., inter alia, Figs. 3-7). However, it can also be preferred that the horizontal sections - in contrast to the vertical sections - do not have an actuator layer, but only a mechanical support layer and / or an electrically conductive layer.
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. Vorteilhaft ist mithin keine Strukturierung notwendig. 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 a preferred embodiment, the at least one layer made of an actuator material of the vibratable membrane is a continuous layer. Continuous preferably means that there are no interruptions in the cross-sectional profile. Accordingly, in the embodiment mentioned, it is preferred that there is a continuous layer of actuator material in both the vertical and horizontal sections. No structuring is therefore advantageously necessary. A continuous layer is particularly easy to manufacture and ensures synchronous actuation when operating a MEMS loudspeaker. The performance of the MEMS transducer, in particular of a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can essentially be determined by the number and / or dimensioning of the vertical sections.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die schwingfähige Membran mehr als 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 oder mehr vertikale Abschnitte. In preferred embodiments, the vibratable membrane comprises more than 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 or more vertical sections.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die schwingfähige Membran weniger als 10000,In preferred embodiments, the vibratable membrane comprises less than 10,000,
5000, 2000 oder 1000 oder weniger vertikale Abschnitte. 5000, 2000, or 1000 or less vertical sections.
Die bevorzugte Anzahl von vertikalen Abschnitten führt zu hohen Schallleistung auf kleinsten Chip-Oberflächen, ohne dass das Klangbild oder die Audioqualität leidet. The preferred number of vertical sections leads to high sound power on the smallest chip surfaces without the sound image or audio quality suffering.
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. The vertical sections are preferably flat, which means in particular that their extension in each of the two dimensions (height, width) of their area is greater than in a dimension perpendicular thereto (the thickness). For example, size ratios of at least 2: 1, preferably at least 5: 1, 10: 1 or more can be preferred.
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. According to the invention, the height of the vertical sections preferably corresponds to the dimension along the direction of the sound emission or sound detection, while the thickness of the vertical sections preferably corresponds to the sum of the layer thickness of the one or more layers that form the vertical sections. The length of the vertical sections preferably corresponds to a dimension orthogonal to the height or thickness. In the cross-sectional views of the figures below, the height and thickness are shown schematically (not necessarily true to scale), while the dimension of the length corresponds to a (not visible) drawing depth of the figures.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Höhe der vertikalen Abschnitte zwischen 1 pm und 1000 pm, bevorzugt zwischen 10 pm und 500 pm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien wie beispielsweise 1 pm bis 10 pm, 10pm bis 50 pm, 50 pm bis 100 pm, 100 pm bis 200 pm, 200 pm bis 300 pm, 300 pm bis 400 pm, 400 pm bis 500 pm, 600 pm bis 700 pm, 700 pm bis 800 pm, 800 pm bis 900 pm oder auch 900 pm bis 1000 pm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise 10 pm bis 200 pm, 50 pm bis 300 pm oder auch 100 pm bis 600 pm. In a preferred embodiment, the height of the vertical sections is between 1 pm and 1000 pm, preferably between 10 pm and 500 pm. Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, such as, for example, 1 pm to 10 pm, 10 pm to 50 pm, 50 pm to 100 pm, 100 pm to 200 pm, 200 pm to 300 pm, 300 pm to 400 pm, 400 pm to 500 pm pm, 600 pm to 700 pm, 700 pm to 800 pm, 800 pm to 900 pm or 900 pm to 1000 pm. A person skilled in the art recognizes that the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 10 pm to 200 pm, 50 pm to 300 pm or also 100 pm to 600 pm.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der vertikalen Abschnitte zwischen 100 nm und 10 pm, bevorzugt zwischen 500 nm und 5 pm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien wie beispielsweise 100 nm bis 500 nm, 500 nm bis 1 pm, 1 pm bis 1 ,5 pm, 1 ,5 pm bis 2 pm, 2 pm bis 3 pm, 3 pm bis 4 pm, 4 pm bis 5 pm, 5 pm bis 6 pm, 6 pm bis 7 pm, 7 pm bis 8 pm, 8 pm bis 9 pm oder auch 9 pm bis 10 pm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereich zu erhalten, wie beispielsweise 500 nm bis 3 pm, 1 pm bis 5 pm oder auch 1500 nm bis 6 pm. In a preferred embodiment, the thickness of the vertical sections is between 100 nm and 10 μm, preferably between 500 nm and 5 μm. Intermediate ranges from the aforementioned ranges can also be preferred, such as, for example, 100 nm to 500 nm, 500 nm to 1 pm, 1 pm to 1.5 pm, 1.5 pm to 2 pm, 2 pm to 3 pm, 3 pm to 4 pm , 4 pm to 5 pm, 5 pm to 6 pm, 6 pm to 7 pm, 7 pm to 8 pm, 8 pm to 9 pm or 9 pm to 10 pm. A person skilled in the art recognizes that the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 500 nm to 3 pm, 1 pm to 5 pm or also 1500 nm to 6 pm.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge der vertikalen Abschnitte zwischen 10 pm und 10 mm, bevorzugt zwischen 100 pm und 1 mm. Auch Zwischenbereiche aus den vorgenannten Bereichen können bevorzugt seien wie beispielsweise 10 pm bis 100 gm, 100 pm bis 200 pm, 200 pm bis 300 pm, 300 pm bis 400 pm, 400 pm bis 500 pm, 500 pm bis 1000 pm, 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 pm bis 500 pm, 500 pm bis 5 pm oder auch 1 mm bis 5 mm. In a preferred embodiment, the length of the vertical sections is between 10 μm and 10 mm, preferably between 100 μm and 1 mm. Also intermediate areas from the The above ranges can be preferred, such as 10 pm to 100 pm, 100 pm to 200 pm, 200 pm to 300 pm, 300 pm to 400 pm, 400 pm to 500 pm, 500 pm to 1000 pm, 1 mm to 2 mm, 3 mm to 4 mm, 4 mm to 5 mm, 5 mm to 8 mm or also 8 mm to 10 mm. A person skilled in the art recognizes that the aforementioned range limits can also be combined in order to obtain further preferred ranges, such as, for example, 10 μm to 500 μm, 500 μm to 5 μm or also 1 mm to 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. With the aforementioned preferred dimensions of the vibratory membrane or the vertical sections, a particularly compact MEMS transducer, in particular MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be provided which at the same time combines high performance with excellent sound image or audio quality.
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. In a preferred embodiment of the invention, the oscillatable membrane is formed by a meandering structure with alternating vertical and horizontal sections, with holding structures attached to at least two of the horizontal sections, which are connected directly or indirectly to the carrier. The holding structures can, for example, be provided by the substrate material of the carrier, i.e. the holding structures can be formed directly from the substrate of a bottom wafer. Alternatively, it is also possible for the holding structures to be connected to the horizontal sections as separate ridges or elevations of a top wafer.
Die Haltestrukturen können bevorzugt ein- und/oder zweiseitig an der schwingfähigen Membran, d.h. bevorzugt an oberen und/oder unteren horizontalen Abschnitten angebracht vorliegen.The holding structures can preferably be present on one and / or two sides of the oscillatable membrane, i.e. preferably attached to upper and / or lower horizontal sections.
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. In particular when a larger-sized vibratory membrane is suspended between the side walls of a carrier, the use of holding structures advantageously allows stabilization without negatively affecting the generation or absorption of sound.
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. Since the horizontal sections in a meandering shape are at least essentially mechanically neutral, locking them by means of the holding structure advantageously does not lead to any undesirable stresses between the membrane and the holding structure or carrier.
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. Various layers can be provided for the construction of the vibratable membrane in order to ensure the described actuation and excitation of horizontal vibrations or their detection.
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, Contacting one or more actuator layer (s) and / or one or more layers made of a mechanical support material and thus the application or detection of an electrical voltage can take place directly via the end electrodes or be supported by a layer made of a conductive material,
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die schwingfähige Membran daher mindestens eine Lage aus einem leitfähigen Material. In a preferred embodiment, the vibratory membrane therefore comprises at least one layer made of a conductive material.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das leitfähige Material ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Platin, Wolfram, (dotiertes) Zinnoxid, monokristallines Silizium, Polysilizium,In preferred embodiments, the conductive material is selected from a group comprising platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon,
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. Molybdenum, titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite and copper. In a preferred embodiment, the vibratory membrane comprises three layers, an upper layer being formed from a conductive material and connected to an upper electrode, a middle layer being formed from the actuator material and a lower layer being formed from a conductive material.
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. The conductive material of the upper and / or lower layer can preferably be a mechanical support material, so that this layer has a double function. On the one hand, the location ensures that the actuator layer is contacted with an electrical potential that can be applied to the electrodes at the end. On the other hand, it functions as a mechanical support layer in the manner described for generating horizontal curvatures or vibrations when the actuator position is actuated accordingly.
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. Such an embodiment can be obtained by means of simple manufacturing steps, as illustrated by way of example in FIG. In the preferred embodiment shown in FIGS. 2G, 3 and 4, the vibratable membrane has a meandering structure with a continuous upper layer made of a conductive material (metal), a continuous middle layer made of an actuator material and a lower layer made of a conductive mechanical material Support material. A reverse sequence of the layers or a further additional conductive layer in contact with the mechanical support layer and / or actuator layer for improved contacting can also be provided.
In einerweiteren 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. In a further preferred embodiment, the vibratory membrane comprises two layers made of an actuator material, which are separated by a middle layer made of a conductive material, preferably metal, the middle layer being connected to a first electrode and at least one of the two layers made of an actuator material another layer made of a conductive material, preferably a metal, is present in contact with a second electrode.
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. As explained above, in a preferred embodiment, two actuator positions can also be used in order, for example, to set the vertical sections into horizontal oscillations by means of different actuation. In order to transfer the electrical potential changes from the end electrodes to the respective actuator layer, two or more intermediate layers made of a conductive material can preferably be provided. The layers made of conductive material, for example made of a metal, in this case preferably serve exclusively for contacting and not as a mechanical support layer. The voltage required in the sense of a bimorph for a MEMS loudspeaker for bulging or oscillation is induced by a different control of the actuator positions themselves.
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. The layers made of a conductive material, such as metal, for example, can therefore be made particularly thin (less than 500 nm, preferably less than 200 nm).
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. Such a preferred embodiment is shown by way of example in FIG. This has an oscillatable membrane as a meandering structure with two layers made of an actuator material, which are separated by a middle layer made of a conductive material (metal). The middle layer is connected to a first electrode pad at the end, while the upper actuator layer is connected to a second end-side via a further layer made of a conductive material Electrode is in contact. A lower layer made of a conductive material is not in contact with any of the electrodes. A reverse order of the layers or a waiver of the lower layer made of conductive material, which is in no contact with the electrodes, can also be provided.
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). In the embodiment described above, it is preferred that the actuator layer (s) and possibly the mechanical support layers are continuous, ie in cross section from one end of the membrane (at which a first electrode is preferably present) over several alternating horizontal and vertical sections, up to a second end of the membrane (at which preferably a second electrode is present).
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. The inventors recognized that providing a mechanical biomorph in the vertical sections is sufficient for the operating principle of the MEMS transducer, preferably a MEMS loudspeaker.
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. In a preferred embodiment, the at least one actuator layer is not continuous, but is only present in the vertical sections, but not in the horizontal sections. In this case, it can be preferred that any mechanical support layer that may be present runs continuously or that it does not run continuously and is only provided in vertical sections, for example. In order to still be able to contact the vertical sections by means of electrodes at the end, it is preferred to apply one or more continuous layers of a conductive material (preferably metal).
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. A preferred production method for an embodiment with a discontinuous actuator position is illustrated in FIG. Here, a targeted spacer etching of the actuator layer can take place in horizontal sections, so that only the vertical sections of the membrane still have a layer made of an actuator material. A continuous layer made of a mechanical support material can at the same time be dielectric in order to avoid a short circuit between an upper and lower conductive layer (also referred to as top and bottom electrodes).
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. The embodiment is characterized by a particularly effective actuation and high power performance, in which only the vertical sections are specifically stimulated to alternate arching or swinging, while the horizontal sections remain mechanically neutral. The displaced volume can advantageously be increased again per phase of the actuation.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen wird bevorzugt eine schwingfähige Membran in Mäanderform durch Aufbringen oder Ätzen von entsprechend funktionellen Lagen erhalten.In the embodiments described above, an oscillatable membrane in a meandering shape is preferably obtained by applying or etching correspondingly functional layers.
Alternativ kann eine schwingfähige Membran auch durch Bereitstellung von vertikalen Abschnitten und deren Verbindung mittels Metallbrücken hergestellt werden. Alternatively, a vibratory membrane can also be produced by providing vertical sections and connecting them by means of metal bridges.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran zwei Lagen, wobei eine erste Lage aus einem Aktuatormaterial besteht, eine zweite Lage aus einem leifähigen Stützmaterial besteht und wobei die vertikalen Abschnitte über horizontale Metallbrücken verbunden vorliegen. Wie in der Fig. 10 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 Wrkungsgrad erhalten werden. In a preferred embodiment, the vertical sections of the vibratable membrane comprise two layers, a first layer consisting of an actuator material, a second layer consisting of a conductive support material and the vertical sections being connected via horizontal metal bridges. As illustrated in FIG. 10, a plurality of individual piezoceramic elements comprising a layer made of a mechanical support material and a layer made of a piezoelectric material, as well as a sacrificial layer, can preferably be provided for this purpose. A membrane with a high degree of efficiency can advantageously be obtained in a robust and process-efficient manner through several method steps comprising a through-hole plating and metal filling as well as stacking and dicing of the piezoceramic elements.
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 the embodiment, a continuous, homogeneous conductive layer is not necessary. Instead, the contacting of the actuator layer in the vertical sections is ensured by the metal bridges and a conductive mechanical support material.
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 a preferred embodiment, the vibratable membrane is coated with a layer made of a non-stick material. With non-stick materials are meant, in particular, materials with low surface energies, which are largely inert to the environment and thus avoid the deposition of dust or other undesirable particles. For example, the non-stick materials can be formed by carbon layers, e.g. diamond-like carbon (DLC) layers or also layers comprising perfluorocarbons (PFC), such as polytetrafluoroethylene (PTFT).
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 a preferred embodiment of the invention, the MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker, comprises a control unit which is configured to control the at least one electrode so that the two or more vertical sections are excited to horizontal oscillations. The control unit is preferably configured to control the electrodes, which ensures a frequency of the horizontal oscillations between 10 Hz and 20 kHz.
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. In a preferred embodiment of the invention, the MEMS converter, preferably a MEMS microphone, comprises a control unit which is configured to detect an electrical signal provided by the at least one electrode which was generated by horizontal oscillations of the two or more vertical sections. The control unit of a MEMS microphone is preferably configured for picking up and processing an electrical signal which corresponds to a frequency of the horizontal oscillations between 10 Hz and 20 kHz and is therefore set up for sound detection in the audible range.
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. The control unit is therefore preferably configured and set up to control the vibratable membrane (or the actuator position (s) in the vertical sections) to horizontal vibrations and sound emission in the audible frequency range by means of electrical signals, or a corresponding electrical signal when the vibratable membrane is excited record and process.
Vorzugsweise erfolgt mithin für den MEMS-Lautsprecher eine unmittelbare bzw. direkte Ansteuerung der vertikalen Abschnitte der Membran mit Audiosignalen. Im Gegensatz zur kombinierten Ansteuerung separater Membraneinheiten und einer Mehrzahl von Ventilen gemäß der US 2019/011 64 17 A1 wird die Ansteuerung zur Schallerzeugung mithin deutlich vereinfacht.For the MEMS loudspeaker, the vertical sections of the membrane are preferably controlled with audio signals. In contrast to the combined control of separate membrane units and a plurality of valves according to US 2019/011 64 17 A1, the control for generating sound is therefore significantly simplified.
Zum Zwecke der Erzeugung oder Aufnahme elektrischer Signale 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. For the purpose of generating or receiving electrical signals, the control unit can preferably comprise a data processing unit. In the context of the invention, a data processing unit preferably denotes a unit which is suitable and configured for receiving, sending, storing and / or processing data, preferably with a view to controlling the electrodes or receiving an electrical signal provided at the electrodes. The data processing unit preferably comprises an integrated circuit, for example also an application-specific integrated circuit, a processor, a processor chip, microprocessor or microcontroller for processing data, and optionally a data memory, a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM) or a flash memory for storing the data.
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. In preferred embodiments, the control unit is integrated in addition to further components of the MEMS transducer (carrier, vibratable membrane) on a printed circuit board or printed circuit board. This means that the MEMS converter is preferably seamlessly integrated with the electronics required for control or detection. In addition to the control unit, other electronic components, such as a communication interface (preferably wireless, e.g. Bluetooth), an amplifier, a filter or a sensor system, can also be installed on one and the same printed circuit board.
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. A compact overall solution is advantageously obtained in which a MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be provided together with the desired electronics in a very small space and preferably with inexpensive CMOS processing suitable for mass production.
In einerweiteren 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 a further preferred embodiment, the vibratable membrane held by the carrier is arranged in a front side of a housing which encloses a rear-side resonance volume. The sound emission of such a MEMS loudspeaker is therefore preferably carried out towards the open front side (sound port), the sound image being improved in particular for lower frequencies by the resonance volume on the rear side.
In einerweiteren 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 pm, bevorzugt weniger als 50 gm aufweisen. In a further preferred embodiment, there is 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 μm, preferably less than 50 μm.
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: In a further aspect, the invention relates to a manufacturing method for a MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, as described above, comprising the following steps:
Ätzen eines Substrats, vorzugsweise von einer Vorderseite, zur Ausbildung einer Strukturierung, vorzugsweise einer Mäanderstruktur Etching of a substrate, preferably from a front side, to form a structure, preferably a meander structure
Optionales Aufträgen eines Ätzstops Optional application of an etch stop
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 Application of at least two layers, wherein at least first layer comprises an actuator material and a second layer comprises a mechanical support material or at least two layers comprise an actuator material
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. Contacting the first and / or second layer with an electrode Etching, preferably from the back, and optional removal of the etch stop, so that an oscillatable membrane, preferably in the form of a meander structure, is held by a carrier (4) formed by the substrate (8), the oscillatable membrane (1) for generating or Recording of pressure waves of the fluid in a vertical direction comprises at least two or more vertical sections (2) which are formed parallel to the vertical direction and so that the two or more vertical sections can be excited to horizontal oscillations by controlling the at least one electrode, or so that at Excitation of the two or more vertical sections to horizontal oscillations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
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 und umgekehrt. 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, Fig. 8A-J oder Fig. 9 beschrieben. The average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments of the described MEMS transducer, preferably MEMS loudspeakers or MEMS microphones, also apply to the described manufacturing method and vice versa. The production method described is preferably used to provide a MEMS transducer with a folded, oscillatable membrane with a meander structure. Examples of preferred manufacturing steps are described in FIGS. 2A-G, 8A-J or FIG. 9.
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. As a substrate, for. B. one of the preferred materials mentioned above can be used. During the etching, a blank, for example a wafer, can be brought into the desired basic shape of the meander structure. In a next step, the layers for the vibratable membrane are preferably applied.
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. Applying the at least one layer of a conductive material preferably also includes applying a plurality of layers and in particular a layer system in addition to applying one layer. A layer system comprises at least two layers that are systematically applied to one another. The application of a layer or a layer system preferably serves to define the vibratable membrane comprising vertical sections which can be excited to horizontal vibrations.
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. 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). In particular, the application, for example, a deposition, z. B. in the case of a substrate made of polysilicon.
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). 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).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ätzen eines Substrats, vorzugsweise von einer Vorderseite, zur Ausbildung einer Strukturierung , dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Kristall Struktur aufweist und eine Mehrzahl von Taschen (Trenches) durch Ätzen entlang eines Gittervektors der Kristallstruktur erfolgt. Vorzugsweise werden die Taschen als parallele Schlitze von der Vorderseite des Substrates definiert. Nach dem Aufträgen der funktionellen Lagen und entsprechender Rückseitenbearbeitung entsteht eine schwingfähige Membran als Faltenbalg mit Mäanderstruktur im Querschnitt (vgl. u.a. Fig. 2 und 8). In a preferred embodiment, the etching of a substrate, preferably from a front side, is characterized in that the substrate has a crystal structure and a plurality of pockets (trenches) are carried out by etching along a lattice vector of the crystal structure. Preferably the pockets are defined as parallel slots from the front of the substrate. After applying the functional Layers and corresponding rear side processing results in an oscillatable membrane as a bellows with a meandering structure in cross section (cf., inter alia, FIGS. 2 and 8).
Durch die bevorzugte Ätzung entlang der Orientierung eines Kristallsubstrates können vorteilhaft glatte, quasi-kristalline Taschen mit großer Tiefe von mehr als 200 pm, 300pm, 400 gm 500 pm oder mehr mit hochpräziser Orientierung und vernachlässigbarer Rauigkeit erhalten werden.The preferred etching along the orientation of a crystal substrate can advantageously result in smooth, quasi-crystalline pockets with a great depth of more than 200 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm or more with high-precision orientation and negligible roughness.
Vorteilhaft ist zudem, dass die Flächennormale der Seitenflächen der Taschen ebenfalls mit der Kristall Struktur, vorzugsweise einem orthogonalen Gittervektor ausgerichtet ist. It is also advantageous that the surface normal of the side surfaces of the pockets is also aligned with the crystal structure, preferably an orthogonal lattice vector.
Beim Aufbringen einer Lage eines Aktuatormaterial, vorzugsweise eines piezoelektrischen Materials, auf ein derart strukturiertes Substrat kann die Orientierung des Aktuatormaterial ebenfalls quasi-kristallin erfolgen. Insbesondere piezoelektrische Materialien wie beispielsweise AIN, AIScN oder PZT weisen vorteilhaft an der derart orientieren Seitenwänden der Taschen eine kolumnares Wachstum auf, wodurch gewährleistet werden kann, dass die piezoelektrische Lage eine besonders präzise c-Achsen Orientierung aufweist, welche senkrecht zur Oberfläche der vertikalen Abschnitte der resultierenden Membran vorliegt. When applying a layer of an actuator material, preferably a piezoelectric material, to a substrate structured in this way, the orientation of the actuator material can also take place in a quasi-crystalline manner. In particular, piezoelectric materials such as AIN, AIScN or PZT advantageously have a columnar growth on the side walls of the pockets oriented in this way, which can ensure that the piezoelectric layer has a particularly precise c-axis orientation, which is perpendicular to the surface of the vertical sections of the resulting membrane is present.
Die Ausbildung horizontaler Schwingungen durch den transversalen piezoelektrischen Effekt kann mithin besonders effektiv und präzise erfolgen und für ein verbessertes Klangbild im Falle eines MEMS-Lautsprechers oder Detektionsvermögen im Falle eines MEMS-Mikrophons Sorge tragen. The formation of horizontal vibrations through the transverse piezoelectric effect can therefore take place particularly effectively and precisely and ensure an improved sound image in the case of a MEMS loudspeaker or detection capability in the case of a MEMS microphone.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ätzen eines Substrats, vorzugsweise von einer Vorderseite, zur Ausbildung einer Strukturierung, vorzugsweise einer Mäanderstruktur dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Kristallstruktur aufweist und eine Mehrzahl von Taschen (Trenches) entlang eines Gittervektors mindestens teilweise durch ein nasschemisches Ätzen erfolgt, vorzugsweise kristallorientierungsabhängiges, anisotropes Ätzen erfolgt. In a preferred embodiment, the etching of a substrate, preferably from a front side, to form a structuring, preferably a meander structure, is characterized in that the substrate has a crystal structure and a plurality of pockets (trenches) along a lattice vector are at least partially carried out by wet chemical etching , preferably anisotropic etching depending on the crystal orientation takes place.
Bevorzugt wird zu diesem Zweck ein Ätzmittel verwandt, welches in Bezug auf die Kristallorientierung des Substrates in zwei orthogonalen Kristallorientierung eine deutliche unterschiedliche Ätzrate aufweist. Beispielsweise kann eine Ätzrate um einen Faktor 50, 10, 150, 200 oder mehr für das gewählte Substrat in einer ersten Kristallorientierung höher sein, als in einer zweiten dazu orthogonalen Kristallorientierung. For this purpose, an etchant is preferably used which has a clearly different etching rate in relation to the crystal orientation of the substrate in two orthogonal crystal orientations. For example, an etching rate can be higher by a factor of 50, 10, 150, 200 or more for the selected substrate in a first crystal orientation than in a second crystal orientation orthogonal thereto.
Bevorzugt wird das Substrat derart orientiert, dass die ersten Kristallorientierung für welche eine erhöhte Ätzrate vorliegt mit der Flächennormalen der Substratoberfläche ausgerichtet ist. Mittels einer Ätzmaske können Bereiche auf der Substratoberfläche definiert werden, welche nicht geätzt werden sollen. Vorzugsweise kann die Ätzmaske einen Rahmen definieren, in dem Schlitze bzw. Streifen zur Bildung der Taschen frei bleiben. Bereiche, welche zwischen den zu bilden parallelen Taschen verbleiben können als Substrat für die horizontalen Abschnitte der Membran dienen.The substrate is preferably oriented in such a way that the first crystal orientation for which there is an increased etching rate is aligned with the surface normal of the substrate surface. Areas on the substrate surface which should not be etched can be defined by means of an etching mask. The etching mask can preferably define a frame in which slots or strips for forming the pockets remain free. Areas which remain between the parallel pockets to be formed can serve as a substrate for the horizontal sections of the membrane.
Durch das anisotrope nasschemische Ätzen erfolgt anschließend bevorzugt ein vorzugsweises Ätzen senkrecht zur Substratoberfläche zur Ausbildung tiefer vertikaler Taschen. Das Ätzen in einer dazu orthogonalen (horizontalen) Richtung ist mithin vermindert. Je größer der Anisotropiefaktor des kristallorientierungsabhängigen Ätzens ist, desto geringer wird ein Unterätzen ausfallen. Besonders gute Ergebnisse können beispielsweise mit Kaliumhydroxid (KOH) als Ätzmittel für eine Siliziumkristallsubstrat erzielt werden. Beispielsweise weist Kaliumhydroxid eine deutliche Vorzugsrichtung für das Ätzen entlang einer <110> Orientierung eines Siliziumkristalls versus einer <111 > Orientierung auf. Wie in Sato et al. 1988 gezeigt, kann die Ätzrate für KOH auf einem Siliziummonokristall in einer <110> Richtung mit 1 ,455 pm/min um einen Faktor 291 höher sein, als in einer orthogonalen <111 > Orientierung (Ätzrate 0,005 pm/min). The anisotropic wet-chemical etching then preferably results in etching perpendicular to the substrate surface in order to form deep vertical pockets. The etching in an orthogonal (horizontal) direction is therefore reduced. The greater the anisotropy factor of the crystal orientation-dependent etching, the less underetching will be. Particularly good results can be achieved, for example, with potassium hydroxide (KOH) as an etchant for a silicon crystal substrate. For example, potassium hydroxide has a clear preferred direction for etching along a <110> orientation of a silicon crystal versus a <111> orientation. As in Sato et al. As shown in 1988, the etching rate for KOH on a silicon monocrystal in a <110> direction at 1.455 pm / min can be a factor of 291 higher than in an orthogonal <111> orientation (etching rate 0.005 pm / min).
Fig. 9 illustriert, wie durch entsprechende Ausrichtung eines Siliziumkristalls auf robuste Weise nahezu perfekt glatte und tiefe Taschen herstellbar sind, deren Seitenflächen kristallorientiert sind, um ein c-Achsen orientiertes Aufwachsen piezoelektrischer Materialien zu gewährleisten.9 illustrates how, by appropriate alignment of a silicon crystal, almost perfectly smooth and deep pockets can be produced in a robust manner, the side surfaces of which are crystal-oriented in order to ensure c-axis-oriented growth of piezoelectric materials.
Der Fachmann versteht, dass alternative kristallorientierungsabhängige Ätzmittel, wie beispielsweise Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), gleichermaßen verwandt werden können (vgl. u.a. Seidel et al 1990). The person skilled in the art understands that alternative etchants that depend on the crystal orientation, such as, for example, tetramethylammonium hydroxide (TMAH), can equally be used (cf. Seidel et al 1990, among others).
Vorteilhaft ist der Prozess nicht nur zur Hochskalierung für eine Massenproduktion geeignet. Darüber hinaus sind derart herstellbare schwingfähige Membranen in Mäanderform gleichfalls durch eine besondere präzise Ausrichtung der vertikalen Abschnitte gekennzeichnet, welche zu verbessertem Schwingverhalten und mithin Schallerzeugung oder-detektion führen. The process is advantageously not only suitable for upscaling for mass production. In addition, diaphragms capable of oscillating in this way in a meandering shape are also characterized by a particularly precise alignment of the vertical sections, which lead to improved oscillation behavior and therefore sound generation or detection.
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.Should a further structuring of the vibratable membrane be desired, this can be done, for. B. be made by further etching processes. Additional material can also be deposited or doping can be carried out using conventional methods.
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. For contacting the layers, suitable material, such as. B. copper, gold and / or platinum can be deposited by common processes. Physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or electrochemical deposition can preferably be used for this purpose.
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. By means of the process steps, a finely structured vibratory membrane with a desired definition of vertical and horizontal sections can be provided, which are preferably suspended between two side areas of a stable carrier and have dimensions in the micrometer range. The manufacturing steps are part of standard method steps in semiconductor processing, so that they have proven themselves and are also suitable for mass production.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung mithin auch einen MEMS-Wandler, herstellbar durch das wie vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren. In a further aspect, the invention therefore also relates to a MEMS converter that can be produced by the production method as described above.
Der Fachmann erkennt, dass sich Besonderheiten der Herstellungsschritte, wie beispielsweise ein kristallorientierungsabhängiges Ätzen zur Ausbildung tiefer Taschen mit quasi-kristallin glatter Oberfläche, unmittelbar auf strukturelle Merkmale des MEMS-Wandel übertragen. Im Falle einer quasi-kristallin glatten Oberfläche der Seitenflächen der Taschen, kann wie obig erläutert, auf besonders präzise Weise eine schwingfähige Membran mit einer Mehrzahl vertikaler Abschnitte in Mäanderform gebildet werden. Auch eine c-Achsen-Orientierung eines Aktuatormaterials, vorzugsweise eines piezoelektrischen Materials, kann unmittelbar aus der Anwendung der bevorzugten Herstellungsschritte folgen. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen MEMS- Wandlerwie vorstehend beschrieben, umfassend die folgenden Schritte: The person skilled in the art recognizes that special features of the manufacturing steps, such as, for example, a crystal orientation-dependent etching to form deep pockets with a quasi-crystalline smooth surface, are directly transferred to structural features of the MEMS change. In the case of a quasi-crystalline smooth surface of the side surfaces of the pockets, as explained above, an oscillatable membrane with a plurality of vertical sections in a meandering shape can be formed in a particularly precise manner. A c-axis orientation of an actuator material, preferably a piezoelectric material, can also follow directly from the application of the preferred manufacturing steps. In a further aspect, the invention relates to a manufacturing method for a MEMS transducer as described above, comprising the following steps:
Bereitstellen mehrerer einzelner Piezokeramikelemente, umfassend eine Opferlage, eine Lage aus einem leitfähigen Material und eine Lage aus einem piezoelektrischen Material Providing a plurality of individual piezoceramic elements, comprising a sacrificial layer, a layer made of a conductive material and a layer made of a piezoelectric material
Definition von Löchern für eine Durchkontaktierung in den Piezokeramikelementen und Metallfüllung Definition of holes for through-contacts in the piezoceramic elements and metal filling
Stapeln der Piezokeramikelemente und optionales Schneiden (Dicing), sodass ein Stapel von Piezokeramikelementen erhalten wird, welcher durch Metallbrücken verbunden ist Stacking the piezoceramic elements and optional cutting (dicing) so that a stack of piezoceramic elements is obtained, which is connected by metal bridges
Entfernung der Opferlage und Einbringen des Stapels der Piezokeramikelemente in einen Träger, wobei eine Kontaktierung der Piezokeramikelemente 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. Removal of the sacrificial layer and introduction of the stack of piezoceramic elements into a carrier, the piezoceramic elements being contacted with one electrode each, so that an oscillatable membrane, preferably in the form of a lamellar structure, is held by a carrier formed by the substrate, the oscillatable membrane for Generating or receiving pressure waves of the fluid in a vertical direction comprises at least two or more vertical sections, which are formed parallel to the vertical direction and so that by controlling the at least one electrode, the two or more vertical sections can be excited to horizontal oscillations or so when excited of the two or more vertical sections for horizontal oscillations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
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 und umgekehrt. Vorzugsweise dient das beschriebene Herstellungsverfahren der Bereitstellung eines MEMS-Wandlers mit einer schwingfähigen Membran mit einer Lamellenstruktur, wobei die Lamellen mechanische Bimorphe sind und durch Metallbrücken verbunden vorliegen. Beispiele bevorzugter Herstellungsschritte werden in der Fig. 10 A-F und Fig. 11 illustriert. The average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments of the described MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, also apply to the described manufacturing method and vice versa. The production method described is preferably used to provide a MEMS transducer with an oscillatable membrane with a lamellar structure, the lamellae being mechanical bimorphs and being connected by metal bridges. Examples of preferred manufacturing steps are illustrated in FIGS. 10A-F and FIG.
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. In the alternative manufacturing process, several individual piezoceramic elements can advantageously be used in order to obtain an oscillatable membrane with lamellae as vertical sections, which are connected to one another by metal bridges, by means of a definition of holes, metal filling and stacking and dicing.
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. Piezoceramics are preferably ceramic materials which, when deformed by an external force, show charge separation or undergo a change in shape when an electrical voltage is applied. The piezoceramic elements preferably comprise a piezoelectric layer and a layer made of a mechanical support material, as described above, and also a sacrificial layer.
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. The sacrificial layer is used to process and provide the metal bridges and will not itself be part of the vibratory membrane. The sacrificial layer can preferably be a photoresist or photoresist, for example. These materials change their solubility when exposed to light, especially UV light. In particular, it can be a so-called positive varnish, the solubility of which increases as a result of UV irradiation. In this way, the sacrificial layer can be removed in a targeted manner after a metal filling to provide the metal bridges.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen MEMS- Wandler umfassend die folgenden Schritte: In a further aspect, the invention relates to a manufacturing method for a MEMS converter comprising the following steps:
Bereitstellen mehrerer einzelner Piezokeramikelemente, umfassend eine Lage aus einem mechanischen Stützmaterial, welches elektrisch leitfähig ist und einer Lage aus einem piezoelektrischen Material Providing a plurality of individual piezoceramic elements, comprising a layer made of a mechanical support material, which is electrically conductive, and a layer made of a piezoelectric material
Bereitstellung eines oberen und unteren Rahmens mit Vertiefungen für die mehreren einzelnen Piezokeramikelemente Provision of an upper and lower frame with recesses for the several individual piezoceramic elements
Fixierung der Piezokeramikelemente in den Vertiefungen des oberen und unteren Rahmens, vorzugsweise mittels eines Klebers Fixation of the piezoceramic elements in the recesses of the upper and lower frame, preferably by means of an adhesive
Aufträgen mindestens einer durchgängigen elektrisch leitfähigen Lage zur Kontaktierung der Piezokeramikelemente mittels mindestens einer Elektrode sodass eine schwingfähige Membran, vorzugsweise in Form einer Lamellenstruktur, von einem Träger gehalten wird, welcher durch den oberen und unteren Rahmen gebildet wird und 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, 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 eine Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.Applying at least one continuous electrically conductive layer for contacting the piezoceramic elements by means of at least one electrode so that an oscillatable membrane, preferably in the form of a lamellar structure, is held by a carrier, which is formed by the upper and lower frame and where the oscillatable membrane is used to generate or receive of pressure waves of the fluid in a vertical direction comprises at least two or more vertical sections, which are formed parallel to the vertical direction, so that the two or more vertical sections can be excited to horizontal oscillations by controlling the at least one electrode or so that when the two or more vertical sections to horizontal oscillations at which at least one electrode an electrical signal can be generated.
Die bevorzugte Ausführungsform wird in der Fig. 12 illustriert. Vorteilhaft wird in der Ausführungsform auf eine strukturierte Kontaktierung verzichtet werden. Stattdessen erfolgt eine Kontaktierung mittels einer durchgehenden leitfähigen Fläche von einer Frontseite und/oder einer Rückseite des MEMS-Wandlers. The preferred embodiment is illustrated in FIG. Structured contacting is advantageously dispensed with in the embodiment. Instead, contact is made by means of a continuous conductive surface from a front side and / or a rear side of the MEMS converter.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der oberen und untere Rahmen aus einem elektrisch nicht-leitenden Material, beispielsweise einem Polymer gebildet. Zur Formung der Rahmen kann bevorzugt ein 3D-Druckverfahren zum Einsatz kommen. In a preferred embodiment, the upper and lower frames are formed from an electrically non-conductive material, for example a polymer. A 3D printing process can preferably be used to shape the frames.
Zur Kontaktierung der einzelnen Lamellen bzw. Piezokeramikelementen wird bevorzugt von vorne ( front Elektrode) bzw. von hinten ( backside Elektrode) eine durchgängige Lage aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise Metall aufgetragen werden. Das Aufträgen kann z.B. mittels Sputterverfahrens erfolgen. To make contact with the individual lamellae or piezoceramic elements, a continuous layer of a conductive material, preferably metal, is preferably applied from the front (front electrode) or from the rear (backside electrode). The application can take place, for example, using a sputtering process.
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 und umgekehrt. 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 eine durchgängige Lage aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise Metall, verbunden vorliegen. The average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments of the described MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, also apply to the described manufacturing method and vice versa. The production method described is preferably used to provide a MEMS transducer with an oscillatable membrane with a lamellar structure, the lamellae being mechanical bimorphs and being connected by a continuous layer made of a conductive material, preferably metal.
Detaillierte Beschreibung Detailed description
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. The invention is to be explained below with reference to further figures and examples. The examples and figures serve to illustrate preferred embodiment of the invention without restricting it.
Kurzbeschreibunq der Abbildungen Brief description of the images
Fig. 1 Schematische Darstellung eines Querschnittes einer bevorzugtenFig. 1 Schematic representation of a cross section of a preferred
Ausführungsform eines MEMS-Lautsprechers gemäß der Erfindung A: im Ruhestand und B: während der Aktuierung. Embodiment of a MEMS loudspeaker according to the invention A: at rest and B: during actuation.
Fig. 2 Schematische Darstellung eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für einenFig. 2 Schematic representation of a preferred manufacturing method for a
MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran, welche im Querschnitt eine Mäanderform aufweist. MEMS loudspeaker with an oscillating membrane, which has a meander shape in cross section.
Fig. 3, 4 Schematische Darstellung bevorzugter Ausführungsformen eines MEMS- Lautsprecher mit einer schwingfähigen Membran in Mäanderform, deren horizontalen Abschnitte durch Haltestrukturen gestützt werden. 3, 4 Schematic representation of preferred embodiments of a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane in a meandering shape, the horizontal sections of which are supported by holding structures.
Fig. 5 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines MEMS-Fig. 5 Schematic representation of a preferred embodiment of a MEMS
Lautsprechers mit zwei Aktuatorlagen, welche durch eine mittlere Lage aus einem leitfähigen Material getrennt werden. Loudspeaker with two actuator layers, which are separated by a middle layer made of a conductive material.
Fig. 6 Schematische Darstellung bevorzugter Ansteuerungen zum Betrieb der MEMS-Fig. 6 Schematic representation of preferred controls for operating the MEMS
Lautsprecher speaker
Fig. 7 Schematische Darstellung einer bevorzugten Integration eines MEMS-Fig. 7 Schematic representation of a preferred integration of a MEMS
Lautsprechers in der Frontseite eines Gehäuses mit rückseitigem Resonanzvolumen. Loudspeaker in the front of a housing with a resonance volume on the back.
Fig. 8 Schematische Darstellung eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für einenFig. 8 Schematic representation of a preferred manufacturing method for a
MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran, welche im Querschnitt eine Mäanderform aufweist, wobei nur die vertikalen Abschnitte eine Lage aus einem Aktuatormaterial aufweisen. MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane which has a meandering shape in cross section, only the vertical sections having a layer made of an actuator material.
Fig. 9 Schematische Darstellung einer bevorzugten Strukturierung eines Substrates in9 Schematic representation of a preferred structuring of a substrate in
Kristallform zur Ausbildung tiefer Trenches (Taschen) mittels eines kristallorientierungsabhängigen Ätzprozesses Crystal shape for the formation of deep trenches (pockets) by means of an etching process that depends on the crystal orientation
Fig. 10 Schematische Darstellung eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für einenFig. 10 Schematic representation of a preferred manufacturing method for a
MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran auf Basis von einzelnen Piezokeramikelementen. Fig. 11 Schematische Darstellung einer bevorzugten elektrische Kontaktierung einesMEMS loudspeaker with an oscillating membrane based on individual piezoceramic elements. 11 Schematic representation of a preferred electrical contacting of a
MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran auf Basis von einzelnen Piezokeramiken. MEMS loudspeaker with an oscillating membrane based on individual piezoceramics.
Fig. 12 Schematische Darstellung eines bevorzugten Herstellungsverfahrens für einenFig. 12 Schematic representation of a preferred manufacturing method for a
MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran auf Basis von einzelnen Piezokeramikelementen. MEMS loudspeaker with an oscillating membrane based on individual piezoceramic elements.
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen Detailed description of the images
Figur 1 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform eines MEMS-Lautsprechers gemäß der Erfindung. Fig 1 A zeigt einen Ruhezustand, während Fig. 1 B zwei Phasen während der Aktuierung des MEMS-Lautsprechers illustriert. FIG. 1 illustrates a preferred embodiment of a MEMS loudspeaker according to the invention. FIG. 1 A shows an idle state, while FIG. 1 B illustrates two phases during the actuation of the MEMS loudspeaker.
Der MEMS-Lautsprecher umfasst eine schwingfähige Membran 1 zur Erzeugung von Schallwellen in eine vertikale Emissionsrichtung, wobei die schwingfähige Membran 1 von einem Träger 4 in horizontaler Lage gehalten wird. Die schwingfähige Membran 1 weist im Querschnitt eine Mäanderstruktur auf mit horizontalen 3 und vertikalen Abschnitten 2. Die vertikalen Abschnitte sind parallel zur Emissionsrichtung ausgebildet und weisen mindestens eine Aktuatorlage auf, beispielsweise eine Lage aus einem piezoelektrischen Material. Eine Kontaktierung der schwingfähigen Membran 1 und der Aktuatorlage erfolgt bevorzugt mittels Elektroden endseitig. Zudem Zweck kann sich beispielsweise auf dem Träger 4 ein Elektrodenpad (nicht gezeigt) befinden. The MEMS loudspeaker comprises an oscillatable membrane 1 for generating sound waves in a vertical emission direction, the oscillatable membrane 1 being held in a horizontal position by a support 4. The oscillatable membrane 1 has a meandering structure in cross section with horizontal 3 and vertical sections 2. The vertical sections are formed parallel to the emission direction and have at least one actuator layer, for example a layer made of a piezoelectric material. The vibratable membrane 1 and the actuator layer are preferably contacted by means of electrodes at the end. In addition, an electrode pad (not shown) can be located on the carrier 4, for example.
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. The vertical sections are preferably mechanical bimorphs, which can be excited to horizontal vibrations by suitable controls. For this purpose, the vertical sections 2 can comprise, for example, a first layer made of an actuator material and a second layer made of a mechanical support material. By controlling the actuator position, a stress gradient and thus a curvature or curvature can be created.
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.Vibration can be generated. Likewise, it can also be preferred that the vertical sections 2 comprise two actuator layers which are activated in opposite directions in order to bring about a curvature of the vertical sections 2 by means of a corresponding relative change in shape.
Figur 1 B 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. FIG. 1B illustrates, by way of example, two phases during an actuation. Advantageously, due to the plurality of vertical sections 2 of the vibratable diaphragm 1 with small horizontal movements (curvature) of a few micrometers, an increased total volume can be moved in the vertical emission direction and thus used to generate sound. The actuation allows a particularly efficient implementation, since during a phase almost the entire volume of air between the vertical sections can be moved up or down along the emission direction.
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. FIG. 2 schematically shows a preferred production method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane 1 which has a meander shape in cross section. A vibratory membrane with a meandering shape in cross section can also preferably be referred to as a folded membrane or bellows. 2A shows an etching of the substrate 8 from an upper or front side in order to form a structure. In the method step, parallel deep trenches (pockets) are etched into the substrate 8. The molded structure represents a bellows or a meander in cross section.
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 pm bevorzugt sein. Bevorzugt kann das piezoelektrische Material eine C-Achsen 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. A layer of an etch stop 9 (FIG. 2B) is then applied, which may be TEOS or PECVD, for example. A layer of a mechanical support material 10 (FIG. 2C) and a layer of an actuator material 11 are applied to the etch stop 9. The mechanical support material 10 can be doped polysilicon, for example, while a piezoelectric material is used for the actuator material 10, for example can. For example, 1 μm may be preferred as layer thicknesses. The piezoelectric material can preferably have a C-axis orientation perpendicular to the surface, so that a transverse piezoelectric effect is used. Other orientations and, for example, the use of a longitudinal effect can also be preferred.
Fig. 2E zeigt das bevorzugte Aufträgen 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. 2E shows the preferred application of a full-area top electrode as a layer made of a conductive material 12. End-side contacting can take place, for example, by means of an electrode pad 13 (FIG. 2F).
Fig. 2F und 2G illustrieren ein weiteres Ätzen des Substrates 8 von der Rückseite bzw. FIGS. 2F and 2G illustrate a further etching of the substrate 8 from the rear side or
Unterseite, und die Entfernung des Ätzstops. Underside, and the removal of the etch stop.
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).The manufacturing steps 2A-G thus obtain an oscillatable membrane 1 which has a meandering structure in cross section. A continuous actuator layer 11 and the provision of end-side contacts 13 advantageously allow the vertical sections 2 to be efficiently actuated to produce horizontal oscillations (cf. FIG. 1). As can be seen in FIG. 2G, 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) (see 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 1 B), sodass während der Aktuierung keine unerwünschten Spannungen zwischen Membran 1 und Haltestruktur 14 bzw. Träger 4 induziert werden. To stabilize the membrane 1 suspended between the side walls of the carrier 4, retaining structures 14 can be provided. As shown in FIGS. 3 and 4, these preferably horizontal sections 3 of the vibratable membrane 1 can be supported. The horizontal sections 3 are advantageously mechanically neutral (cf. FIG. 1 B), so that no undesired stresses are induced between the membrane 1 and the holding structure 14 or carrier 4 during the actuation.
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. 5 illustrates a preferred alternative embodiment of a MEMS loudspeaker, the vibratable membrane 1 comprising two actuator layers which are separated by a middle layer made of a conductive material 12, preferably metal. The middle layer is connected to a first electrode pad 13 at the end, while in the embodiment shown the upper actuator layer 11 is in contact with a second electrode pad 13 at the end via a further layer made of a conductive material 12.
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. 6 illustrates preferred controls for operating the MEMS loudspeakers described. A preferred control for a MEMS loudspeaker with an actuator layer 11 and a passive mechanical support layer 10 is shown in FIG. 6A. The control is preferably carried out by means of two electrode pads 13 at one end, so that the horizontal vibrations can be generated by changing the shape of the actuator material in relation to the mechanical support material. The actuator layer 11 is preferably contacted both from a front side (top electrode 13, conductive layer 10) and from a rear side (bottom electrode 13, conductive mechanical support material 10). An alternating voltage as an audio input signal can, for example, be applied to the front-side electrode pad 13 (left), while the rear-side electrode pad 13 (right) is grounded.
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. 6B shows a preferred control for a MEMS loudspeaker with two actuator layers 11, which are separated by a middle layer made of a conductive material 12, preferably metal.
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. 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. In the illustrated embodiment, an alternating voltage can be applied as an audio input signal, for example, to the one for the top and bottom electrode pads 13 (left), while the middle layer 12 is grounded via a further electrode pad 13 (right).
Fig. 7 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. 7 shows an example of a preferred integration of a MEMS loudspeaker according to the invention in a housing 15. The vibratable membrane 1 held by the carrier 4 is preferably arranged in a front side or front side of a housing (sound port). The housing also encloses a rear resonance volume (back volume 16). A ventilation opening 17 can be introduced to avoid acoustic short circuits or to support the sound image.
Fig. 8 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. 8 illustrates an alternative production method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane 1 according to the invention. The method steps shown in FIGS. 8A-D are analogous to 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. 8A shows an etching of the substrate 8 from an upper or front side in order to form a structure, preferably a meander structure. In the method step, parallel deep trenches (pockets) are etched into the substrate 8. The molded structure represents a bellows or a meander in cross section.
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. A layer of an etch stop 9 (FIG. 2B) is then applied, which may be TEOS or PECVD, for example. A layer of a mechanical support material 10 (FIG. 2C) and an actuator material 11 is applied to the etch stop 9. The mechanical support material 10 can be, for example, doped polysilicon, while a piezoelectric material is preferably used for the actuator material 12.
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. In contrast to the embodiment shown in FIG. 2, the actuator layer 11 is not contacted as a continuous layer with an upper conductive layer. Instead, the actuator layer 11 is etched with a spacer (FIG. 8F) in the horizontal sections of the membrane, so that only the vertical sections of the membrane have a layer made of an actuator material 11.
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). A continuous dielectric layer 18 is then 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 contacting (FIG. 8H).
Fig. 8 I und 8 J illustrieren ein weiteres Ätzen des Substrates 8 von der Rückseite bzw. Unterseite und optional das Aufträgen einer durchgängigen leitfähigen Lage 12 als Rückseitenelektrode.8 I and 8 J illustrate a further etching of the substrate 8 from the rear side or underside and optionally the application of a continuous conductive layer 12 as a rear side electrode.
Fig. 9 illustriert eine bevorzugte Bereitstellung eines strukturierten Substrates 8. Analog zu dem in Fig. 8a gezeigten Verfahrensschritt werden parallele tiefe Trenches (Taschen) in das Substrat 8 geätzt. Die abgeformte Struktur stellt einen Faltenbalg bzw. im Querschnitt einen Mäander, dar auf welchen eine schwingfähige Membran in Mäanderform aufgetragen werden kann. FIG. 9 illustrates a preferred provision of a structured substrate 8. Analogously to the method step shown in FIG. 8 a, parallel deep trenches (pockets) are etched into the substrate 8. The molded structure represents a bellows or, in cross section, a meander, on which an oscillatable membrane can be applied in a meander shape.
Die bevorzugte Bereitstellung des strukturierten Substrates 8 in der Fig. 9 ist durch die Ausnutzung einer Kristallstruktur des Substrates 8 gekennzeichnet, wobei die Taschen entlang eines Gittervektors der Kristallstruktur ausgebildet werden. The preferred provision of the structured substrate 8 in FIG. 9 is characterized by the utilization of a crystal structure of the substrate 8, the pockets being formed along a lattice vector of the crystal structure.
Hierdurch können besonders glatte, quasi-kristalline Taschen mit großer Tiefe von mehr als 200 pm, 400 pm oder mehr mit hochpräziser Orientierung erhalten werden. Vorteilhaft ist zudem, dass die Flächennormale der Seitenflächen der Taschen mit einem Gittervektor ausgerichtet ist, welcher orthogonal zum Gittervektor steht, in dessen Richtung der Ätzprozess erfolgt ist. In this way, particularly smooth, quasi-crystalline pockets with a great depth of more than 200 μm, 400 μm or more with high-precision orientation can be obtained. It is also advantageous that the surface normal of the side surfaces of the pockets is aligned with a grid vector which is orthogonal to the grid vector in the direction of which the etching process took place.
Wird beispielsweise Silizium als Substrat genutzt, kann das Siliziumsubstrat 8 wie in der Fig. 9 gezeigt, bevorzugt mit einer Oberflächenorientierung der Miller Indizes <110> ausgerichtet vorliegen. Bevorzugt steht mithin der Gittervektors der Kristall Struktur <110> senkrecht auf der Oberfläche des noch un strukturierten Substrates. Mittels einer Ätzmaske 24, beispielsweise einer S1O2 hard mask, können horizontale Bereiche oder Streifen auf der Substratoberfläche definiert werden, welche nicht geätzt werden sollen. If, for example, silicon is used as the substrate, the silicon substrate 8, as shown in FIG. 9, can preferably be aligned with a surface orientation of the Miller indices <110>. The lattice vector of the crystal structure <110> is therefore preferably perpendicular to the surface of the as yet unstructured substrate. By means of an etching mask 24, for example an S1O2 hard mask, horizontal areas or stripes can be defined on the substrate surface which should not be etched.
Durch ein anisotropisches Ätzen mit einer Vorzugsrichtung entlang der <110> Orientierung des Siliziumkristalls, versus einer <111 > Orientierung, werden glatte und präzise orientierte Taschen erhalten. Zu diesem Zweck können vorteilhaft nasschemische Verfahren eingesetzt werden, welche sich in einem batch prozess zur Massenproduktion eignen. Beispielsweise weist Kaliumhydroxid eine deutliche Vorzugsrichtung für das Ätzen entlang der <110> versus einer <111 > Kristallorientierung auf. We in Sato et al. 1988 gezeigt, ist die Ätzrate für KOH auf einem Siliziummonokristall in <110> 1 ,455 pm/min, während die Ätzrate in der <111 > Orientierung lediglich 0,005 pm/min beträgt. Durch die anisotropen Ätzraten können mittels des nasschemischen Verfahrens tiefe Taschen mit einem geringen Unterätzen erzielt werden. Anisotropic etching with a preferred direction along the <110> orientation of the silicon crystal versus a <111> orientation results in smooth and precisely oriented pockets. For this purpose, wet chemical processes can advantageously be used, which are suitable for mass production in a batch process. For example, potassium hydroxide has a clear preferred direction for etching along the <110> versus a <111> crystal orientation. We in Sato et al. As shown in 1988, the etching rate for KOH on a silicon monocrystal is <110> 1.455 pm / min, while the etching rate in the <111> orientation is only 0.005 pm / min. Due to the anisotropic etching rates, deep pockets with little undercutting can be achieved by means of the wet chemical process.
Zur Ausbildung von 400 pm tiefen Taschen kann beispielsweise eine Anwendung von KOH auf einen <110> orientiertes Silziumsubstrat für 275 min erfolgen. Aufgrund der um den Faktor 291 verminderten Ätzrate in der orthogonalen <111 > Orientierung wird in dem Zeitraum lediglich ein Unterätzen von 1 ,37 pm erfolgen. Selbst eine Variation in der lokalen Stärke des Unterätzprozesses, führt in Bezug auf die große Tiefe der Taschen von 400 pm Orientierungsschwankungen von deutlich unter 1°. Stattdessen kann durch den Prozess mit hoher Genauigkeit nahezu perfekt senkrechte tiefe Taschen erhalten werden, welche sich durch eine glatte, quasi-krisalline Orientierung auszeichnen. To form pockets 400 μm deep, for example, KOH can be applied to a <110> oriented silicon substrate for 275 min. Due to the etching rate reduced by a factor of 291 in the orthogonal <111> orientation, only an underetching of 1.37 pm will take place during this period. Even a variation in the local strength of the underetching process results in relation to the great depth of the pockets of 400 pm Orientation fluctuations of well below 1 °. Instead, the process can achieve almost perfectly vertical deep pockets with high accuracy, which are characterized by a smooth, quasi-crystalline orientation.
Als ein weiterer Vorteil liegen die erhaltenen Seitenwände der Taschen, auf welche die vertikalen Abschnitte der Membran gebildet werden, in einer Kristallorientierung (hier: <111 >) vor. Der Umstand begünstig ein kolumnares Wachstum piezoelektrischer Materialien, wie beispielsweise AIN oder PZT: Hierdurch kann auf besonders präzise Weise gewährleistet werden, dass das piezoelektrische Material eine c-Achsen-Orientierung senkrecht zur Oberfläche der vertikalen Abschnitte aufweisen, sodass für die Ausbildung der horizontalen Schwingungen ein transversaler piezoelektrische Effekt genutzt werden kann. As a further advantage, the side walls of the pockets on which the vertical sections of the membrane are formed are in a crystal orientation (here: <111>). The fact favors a columnar growth of piezoelectric materials, such as AIN or PZT: This makes it possible to ensure in a particularly precise way that the piezoelectric material has a c-axis orientation perpendicular to the surface of the vertical sections, so that a transverse piezoelectric effect can be used.
Fig. 10 illustriert ein bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Bereitstellung eines MEMS- Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran auf Basis von einzelnen Piezokeramiken.10 illustrates a preferred manufacturing method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane based on individual piezoceramics.
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. 10A und 10B). Bei der Opferlage 20 kann es sich beispielsweise um einen Photoresist (Photolack) handeln. Vorzugsweise kann die Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 10 elektrisch leitend ausgebildet sein, um eine Kontaktierung zu gewährleisten. Ebenso ist es möglich auf der einen Lage aus einem piezoelektrischen Material 11 ein oder zwei Lagen aus einem leitfähigen Material 12 aufzubringen, welche der elektrischen Kontaktierung des piezoelektrischen Materials dienen.First, several individual piezoceramic elements 19, comprising a layer made of a mechanical support material 10 (e.g. doped polysilicon) and a layer made of a piezoelectric material 11 and a sacrificial layer 20 are provided (see FIGS. 10A and 10B). The sacrificial layer 20 can be, for example, a photoresist (photoresist). Preferably, the layer made of a mechanical support material 10 can be designed to be electrically conductive in order to ensure contact. It is also possible to apply one or two layers of a conductive material 12 to the one layer of a piezoelectric material 11, which are used to make electrical contact with the piezoelectric material.
Im Anschluss erfolgt eine Definition von Löchern für eine Durchkontaktierung und Metallfüllung 21 (vgl. Fig. 10 C), Die Piezokeramikelemente 19 werden gestapelt (Fig. 10 D) und geschnitten (Dicing 22 , Fig. 10E), sodass zwei oder mehr Stapel von Piezokeramikelementen 19 erhalten werden, welcher durch Metallbrücken 21 verbunden sind (vgl. Fig. 10E). This is followed by a definition of holes for a through-hole plating and metal filling 21 (cf. FIG. 10 C). The piezoceramic elements 19 are stacked (FIG. 10 D) and cut (dicing 22, FIG. 10E), so that two or more stacks of Piezoceramic elements 19 are obtained, which are connected by metal bridges 21 (see. Fig. 10E).
Nach Entfernung der Opferlage 20 (Fig. 10F) 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. 10E). After the sacrificial layer 20 (FIG. 10F) has been removed, the stacked piezoceramic elements 19 are introduced into a carrier 4, the first and last piezoceramic elements preferably being contacted with one electrode 13 each (FIG. 10E).
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. In this way, an oscillatable membrane 1 is also obtained between a carrier 4, which comprises at least two or more vertical sections 2 for generating sound waves in a vertical emission direction, which are formed parallel to the emission direction and can be excited to horizontal oscillations.
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 in Kombination mit leitfähigen Lagen 12 gewährleistet. Here too, the actuator principle is preferably based on a relative change in shape of the actuator layer 11 compared to the mechanical support layer 10. A continuous actuator layer is not necessary for this. The metal bridges 23 in combination with conductive layers 12 ensure that all vertical sections 2 are contacted by end-side control.
Fig. 11 illustriert eine bevorzugte elektrische Kontaktierung des MEMS-Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran auf Basis von einzelnen Piezokeramiken. Fig. 11 A ist eine Draufsicht und Fig. 11 B eine Seitenansicht MEMS-Lautsprechers. Über die Elektrodenpads 13 erfolgt eine parallele Ansteuerung einzelnen Lamellen bzw. vertikaler Abschnitte, wobei jeweils u-förmige Abstandshalter (spacer) auf jeder Seite der Lamellen vorliegen und zur nächsten Lamelle eine mechanische und elektrische Verbindung schaffen.11 illustrates a preferred electrical contacting of the MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane based on individual piezoceramics. Figure 11A is a top view and Figure 11B is a side view of the MEMS speaker. Individual lamellae or vertical sections are controlled in parallel via the electrode pads 13, with U-shaped spacers being present on each side of the lamellae and creating a mechanical and electrical connection to the next lamella.
Fig. 12 illustriert ein alternatives Herstellungsverfahren zur Bereitstellung eines MEMS- Lautsprechers mit einer schwingfähigen Membran auf Basis von einzelnen Piezokeramiken.FIG. 12 illustrates an alternative production method for providing a MEMS loudspeaker with an oscillatable membrane based on individual piezoceramics.
Vorteilhaft kann im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß der Fig. 10 bzw. 11 in der gezeigten Ausführungsform auf eine strukturierte Kontaktierung verzichtet werden. Stattdessen kann wie im Folgenden erläutert eine Kontaktierung mittels einer durchgehenden leitfähigen Fläche von vorne (; front Elektrode) oder hinten ( backside Elektrode) erfolgen. In contrast to the embodiment according to FIGS. 10 or 11, structured contacting can advantageously be dispensed with in the embodiment shown. Instead, as explained below, contact can be made by means of a continuous conductive surface from the front (front electrode) or from the rear (backside electrode).
Analog zum Herstellungsverfahren gemäß der Fig. 10 werden mehrere einzelne Piezokeramikelemente 19, umfassend eine Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 10 (z.B. dotiertem Polysilizium) und eine Lage aus einem piezoelektrischen Material 11 bereitgestellt. Vorzugsweise ist die Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 10 elektrisch leitend ausgebildet. Analogously to the production method according to FIG. 10, several individual piezoceramic elements 19, comprising a layer made of a mechanical support material 10 (e.g. doped polysilicon) and a layer made of a piezoelectric material 11, are provided. The layer made of a mechanical support material 10 is preferably designed to be electrically conductive.
Weiterhin wird jeweils ein oberer Rahmen 25 und unterer Rahmen 26 bereitgestellt, welcher Vertiefungen bzw. Nuten 27 zur Aufnahme der Piezokeramikelemente 19 aufweist. Vorzugsweise sind der oberen und untere Rahmen aus einem elektrisch nicht leitend Material, beispielsweise einem Polymer. Zur Formung der Rahmen kann bevorzugt ein 3 D- Druckverfahren zum Einsatz kommen. Furthermore, an upper frame 25 and a lower frame 26 are provided, which have recesses or grooves 27 for receiving the piezoceramic elements 19. The upper and lower frames are preferably made of an electrically non-conductive material, for example a polymer. A 3-D printing process can preferably be used to shape the frames.
Zur Fixierung der Piezokeramikelemente 19 kann es bevorzugt sein, einen Kleber zu verwenden. Welcher vorzugsweise zunächst in Vertiefungen 27 eingebracht wird (vgl. Fig. 12A). Nach der Befestigung der Piezokeramikelemente 19 in den jeweiligen Vertiefungen 27 des unteren Rahmens 26, kann der Kleber auf die Piezokeramikelemente 19 gebracht werden, sodass der obere Rahmen die Piezokeramikelemente 19 an der Oberseite fixiert (vgl. Fig. 12B). To fix the piezoceramic elements 19, it can be preferred to use an adhesive. Which is preferably first introduced into depressions 27 (cf. FIG. 12A). After the piezoceramic elements 19 have been fastened in the respective depressions 27 of the lower frame 26, the adhesive can be applied to the piezoceramic elements 19 so that the upper frame fixes the piezoceramic elements 19 on the upper side (cf. FIG. 12B).
Zur Kontaktierung der einzelnen Lamellen bzw. Piezokeramikelementen 19 wird bevorzugt von vorne (Front-Elektrode) bzw. von hinten (Backside-Elektrode) eine durchgängige Lage aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise Metall, (nicht sichtbar) aufgetragen werden. Beispielsweise mittels eines Sputtering-Verfahrens. To make contact with the individual lamellae or piezoceramic elements 19, a continuous layer of a conductive material, preferably metal, (not visible) is preferably applied from the front (front electrode) or from the rear (backside electrode). For example, by means of a sputtering process.
Auf diese Weise kann ebenfalls eine schwingfähige Membran 1 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. Als Träger für die vertikalen Abschnitte 2 kann der zusammengesetzte Rahmen 25, 26 fungieren. BEZUGSZEICHENLISTE In this way, an oscillatable membrane 1 can also be obtained, 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 produce horizontal oscillations. The composite frame 25, 26 can function as a support for the vertical sections 2. REFERENCE LIST
1 Schwingfähige Membran 1 Vibrating membrane
2 Vertikale Abschnitte der schwingfähigen Membran 2 vertical sections of the vibratable membrane
3 Horizontale Abschnitte der schwingfähigen Membran 3 Horizontal sections of the vibratable membrane
4 Träger 4 carriers
5 Luftvolumina zwischen den vertikalen Abschnitten 5 volumes of air between the vertical sections
8 Substrat 8 substrate
9 Ätzstopp 9 Etch stop
10 Lage aus einem mechanischem Stützmaterial, bevorzugt dotiertem Polysilizium 10 layer made of a mechanical support material, preferably doped polysilicon
11 Lage aus einem Aktuatormaterial (Aktuatorlage), bevorzugt aus einem piezoelektrischem Material 11 layer made of an actuator material (actuator layer), preferably made of a piezoelectric material
12 Lage aus einem leitfähigem Material, bevorzugt aus Metall 12 layer made of a conductive material, preferably made of metal
13 Kontaktierung der Elektrode, bevorzugt Elektrodenpad 13 Contacting the electrode, preferably electrode pad
14 Haltestrukturen 14 holding structures
15 Gehäuse 15 housing
16 rückseitiges Resonanzvolumen 16 rear resonance volume
17 Ventilationsöffnung 17 ventilation opening
18 Lage aus einem dielektrischen Material 18 layer made of a dielectric material
19 Piezokeramikelement(e) 19 piezoceramic element (s)
20 Opferlage 20 sacrifice
21 Definierte Löcher für eine Durchkontaktierung mit Metallfüllung 21 Defined holes for through-hole plating with metal filling
22 Schneiden (Dicing) 22 dicing
23 Metallbrücken 23 metal bridges
24 Ätzmaske 24 etching mask
25 Oberer Rahmen 25 Upper frame
26 Unterer Rahmen LITERATUR 26 Lower frame LITERATURE
F. Stoppel, C. Eisermann, S. Gu-Stoppel, D. Kaden, T. Giese and B. Wagner, NOVELF. 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. 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 Microspeakerfor Portable Electronic Devices. Microsystem Technologies, Springer Verlag (Germany), 2013, pp.10. <hal-01103612>. 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 Microsystems & Nanoengineering volume 5, Article number: 43 (2019). Bert Kaiser, Sergiu Langa, Lutz Ehrig, Michael Stolz, Hermann Schenk, Holger Conrad, Harald Schenk, Klaus Schimmanz and David Schuffenhauer, Concept and proof for an all-silicon MEMS microspeaker utilizing air chambers Microsystems & Nanoengineering volume 5, Article number: 43 (2019).
Kazuo Sato, Mitsuhiro Shikida, Yoshihiro Matsushima, Takashi Yamashiro, Kazuo Asaumi, Yasuroh Iriye, and Masaharu Yamamoto, Characterization of orientation-dependent etching properties of single-crystal Silicon: effects of KOH concentration, Sensors and Actuators A 64 (1988) 87-93). Kazuo Sato, Mitsuhiro Shikida, Yoshihiro Matsushima, Takashi Yamashiro, Kazuo Asaumi, Yasuroh Iriye, and Masaharu Yamamoto, Characterization of orientation-dependent etching properties of single-crystal silicon: effects of KOH concentration, Sensors and Actuators A 64 (1988) 87- 93).
Seidel, H., Csepregi, L., Heuberger, A. und Baumgartel, H. (1990). Anisotropie Etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions. Journal of The Electrochemical Society 137. 10.1149/1.2086277 Seidel, H., Csepregi, L., Heuberger, A. and Baumgartel, H. (1990). Anisotropy Etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions. Journal of The Electrochemical Society 137.10.1149 / 1.2086277

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. MEMS-Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids umfassend 1. MEMS transducer for interaction with a volume flow of a fluid comprising
- einen Träger (4), - a carrier (4),
- eine schwingfähige Membran (1) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung, wobei die schwingfähige Membran (1) von dem Träger (4) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Membran (1) zwei oder mehr vertikale Abschnitte (2) aufweist, welche im Wesentlichen 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. - An oscillatable membrane (1) for generating or absorbing pressure waves of the fluid in a vertical direction, the oscillatable membrane (1) being held by the carrier (4), characterized in that the oscillatable membrane (1) has two or more vertical ones Sections (2) which are formed essentially parallel to the vertical direction and comprise at least one layer made of an actuator material (11), the vibratable membrane (1) being in contact with at least one electrode (13) at the end, so that by controlling the at least an electrode (13) the two or more vertical sections (2) can be excited to horizontal oscillations or so that when the two or more vertical sections (2) are excited to horizontal oscillations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
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. 2. MEMS converter according to the preceding claim, characterized in that the MEMS converter is a MEMS loudspeaker, preferably between the vertical sections (2) air volumes (5) are present, which are generated by the horizontal vibrations to generate sound waves along a vertical Emission direction are moved or the MEMS transducer is a MEMS microphone, air volumes (5) preferably being present between the vertical sections (2) which are moved along a vertical detection direction when sound waves are recorded.
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 3. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the two or more vertical sections (2) comprise at least two layers, wherein one layer (11) comprises an actuator material and a second layer (10) comprises a mechanical support material, wherein at least the layer (11) comprising the actuator material is in contact with an electrode (13) so that horizontal vibrations can be generated by a change in shape of the actuator material compared to the mechanical support material or so that horizontal vibrations lead to a change in shape of the actuator material compared to the mechanical support material and generate an electrical signal
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. 4. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the two or more vertical sections (2) comprise at least two layers, both layers (11) comprising an actuator material and being in contact with one electrode (13) each the horizontal vibrations can be generated by changing the shape of one position in relation to the other position or horizontal vibrations lead to a change in shape of one position in relation to the other position and generate an electrical signal.
5. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) zwei Seitenbereiche umfasst zwischen welchen die schwingfähige Membran5. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier (4) comprises two side areas between which the vibratable membrane
(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. (1) is arranged in the horizontal direction and / or the carrier (4) is formed from a substrate (8), 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.
6. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Membran (1) durch eine Lamellenstruktur oder Mäanderstruktur gebildet wird. 6. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the oscillatable membrane (1) is formed by a lamellar structure or meander structure.
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. 7. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the vibratory membrane (1) is formed by a meander structure with alternating vertical (2) and horizontal (3) sections, with holding structures (3) on at least two of the horizontal sections (3). 14) are attached, which are directly or indirectly connected to the carrier (4).
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), Aluminium-Scandium-Nitrid (AIScN) und Zinkoxid (ZnO). 8. MEMS converter according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator material comprises a piezoelectric material, a polymer piezoelectrical material and / or electroactive polymers (EAP), wherein the piezoelectric material is preferably selected from a group comprising lead-zirconate-titanate (PZT), aluminum nitride (AIN), aluminum scandium nitride (AIScN) and zinc oxide (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. 9. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the vibratory membrane (1) comprises three layers, an upper layer (12) being formed by a conductive material, a middle layer (11) being formed by an actuator material and a lower layer (12) is formed from a conductive material, the conductive material of the upper and / or lower layer preferably being a mechanical support material.
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. 10. MEMS converter according to one of the preceding claims, characterized in that the vibratable membrane (1) comprises two layers (11) made of an actuator material, which are separated by a middle layer (12) made of a conductive material, preferably metal the middle layer (12) being connected to a first electrode (13) and at least one of the two layers (11) made of an actuator material via a further layer (12) made of a conductive material, preferably a metal, with a second electrode (13) have been contacted.
11. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Abschnitte (2) der schwingfähigen Membran (1) zwei Lagen umfassen, wobei eine erste Lage (11) aus einem Aktuatormaterial besteht, eine zweite Lage (10) aus einem leifähigen Stützmaterial besteht und wobei die vertikalen Abschnitte (2) über horizontale Metallbrücken (23) verbunden vorliegen. 11. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the vertical sections (2) of the vibratable membrane (1) comprise two layers, a first layer (11) consisting of an actuator material, a second layer (10) consisting of one There is conductive support material and wherein the vertical sections (2) are connected via horizontal metal bridges (23).
12. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Membran (1) mit einer Lage aus einem Antihaftmaterial beschichtet ist.12. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the oscillatable membrane (1) is coated with a layer of a non-stick material.
13. MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Träger (4) gehaltene schwingfähige Membran (1) in einer Frontseite eines Gehäuses (15) angeordnet vorliegt, welches ein rückseitiges Resonanzvolumen (16) umschließt, wobei in dem Gehäuse (15) bevorzugt eine Ventilationsöffnung (17) vorliegt zur Vermeidung akustischer Kurzschlüsse und/oder zur Unterstützung des Klangbildes. 13. MEMS transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the vibratable membrane (1) held by the carrier (4) is arranged in a front side of a housing (15) which encloses a rear-side resonance volume (16), in which Housing (15) preferably has a ventilation opening (17) to avoid acoustic short circuits and / or to support the sound.
14. Herstellungsverfahren für einen MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche umfassend die folgenden Schritte: 14. The manufacturing method for a MEMS transducer according to one of the preceding claims comprising the following steps:
Ätzen eines Substrats (8), vorzugsweise von einer Vorderseite, zur Ausbildung einer Strukturierung, vorzugsweise einer Mäanderstruktur Etching of a substrate (8), preferably from a front side, to form a structure, preferably a meander structure
Optionales Aufträgen eines Ätzstops Optional application of an etch stop
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 umfassenApplication of at least two layers, at least one first layer (11) comprising an actuator material and a second layer (10) comprising a mechanical support material or at least two layers (11) comprising an actuator material
Kontaktieren der ersten und/oder zweiten Lage mit einer Elektrode (13)Contacting the first and / or second layer with an electrode (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. Etching, preferably from the back, and optional removal of the etch stop, so that an oscillatable membrane (1), preferably in the form of a meander structure, is held by a carrier (4) formed by the substrate (8), the oscillatable membrane (1) comprises at least two or more vertical sections (2) for generating or receiving pressure waves of the fluid in a vertical direction, which are formed parallel to the vertical direction and so that the two or more vertical sections (2) are activated by controlling the at least one electrode (13) can be excited to horizontal vibrations or so that when the two or more vertical sections (2) are excited, they become horizontal Vibrations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
15. Herstellungsverfahren für einen MEMS-Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche 1 - 13 umfassend die folgenden Schritte: 15. Manufacturing method for a MEMS transducer according to one of the preceding claims 1 - 13 comprising the following steps:
Bereitstellen mehrerer einzelner Piezokeramikelemente (19), umfassend eine Opferlage (20), eine Lage (12) aus einem leitfähigen Material und eine Lage (11) aus einem piezoelektrischen Material Providing a plurality of individual piezoceramic elements (19), comprising a sacrificial layer (20), a layer (12) made of a conductive material and a layer (11) made of a piezoelectric material
Definition von Löchern (21) für eine Durchkontaktierung in den Piezokeramikelementen und Metallfüllung Definition of holes (21) for through-contacts in the piezoceramic elements and metal filling
Stapeln der Piezokeramikelemente (19) und optionales Schneiden (Dicing) (22), sodass ein Stapel von Piezokeramikelementen (19) erhalten wird, welcher durch Metallbrücken (23) verbunden ist Stacking the piezoceramic elements (19) and optional cutting (dicing) (22) so that a stack of piezoceramic elements (19) is obtained which is connected by metal bridges (23)
Entfernung der Opferlage (29) und Einbringen des Stapels der Piezokeramikelemente (19) in einen Träger (4), wobei eine Kontaktierung des ersten und letzten Piezokeramikelementes (19) mit jeweils einer Elektrode (13) erfolgt, sodass eine schwingfähige Membran (1), vorzugsweise in Form einer Lamellenstruktur, von einem durch das Substrat (8) gebildeten Träger (4) gehalten wird, wobei die schwingfähige Membran (1) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung mindestens zwei oder mehr vertikale Abschnitte (2) umfasst, welche parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode (13) die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können oder sodass bei Anregung der zwei oder mehr vertikalen Abschnitte (2) zu horizontalen Schwingungen an der mindestens einen Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann. Removal of the sacrificial layer (29) and introduction of the stack of piezoceramic elements (19) in a carrier (4), the first and last piezoceramic elements (19) being contacted with one electrode (13) each, so that an oscillatable membrane (1), preferably in the form of a lamellar structure, is held by a carrier (4) formed by the substrate (8), the vibratable membrane (1) for generating or absorbing pressure waves of the fluid in a vertical direction at least two or more vertical sections (2) which are formed parallel to the vertical direction and so that the two or more vertical sections (2) can be excited to horizontal vibrations by controlling the at least one electrode (13) or so that when the two or more vertical sections (2) are excited to horizontal ones Vibrations at the at least one electrode, an electrical signal can be generated.
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