WO2015097035A1 - Mikro-elektromechanischer schallwandler mit schallenergiereflektierender zwischenschicht - Google Patents

Mikro-elektromechanischer schallwandler mit schallenergiereflektierender zwischenschicht Download PDF

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WO2015097035A1
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membrane structure
carrier substrate
mems sound
sound transducer
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PCT/EP2014/078220
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Andrea Rusconi Clerici
Ferruccio Bottoni
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USound GmbH
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Definitions

  • Microelectromechanical transducer with sound-reflecting intermediate layer is Microelectromechanical transducer with sound-reflecting intermediate layer
  • the present invention relates to a MEMS sound transducer for generating and / or detecting sound waves in the audible wavelength spectrum with a carrier substrate, a formed in the carrier substrate cavity having at least one opening, and a multilayer piezoelectric membrane structure which spans the opening of the cavity and in its edge region is connected to the carrier substrate, so that it is able to vibrate relative to the carrier substrate for generating and / or detecting sound energy, wherein the membrane structure comprises a first and a second piezoelectric layer in cross-section at least in regions.
  • the invention relates to a chip, in particular a silicon chip, for generating and / or detecting sound waves in the audible wavelength spectrum with a plurality of array-like arranged and / or separately controllable MEMS sound transducers.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • MEMS sound transducers can be designed as microphones and / or speakers.
  • the sound generation or sound detection takes place via a swingably mounted membrane of the MEMS sound transducer.
  • the diaphragm can be vibrated via piezoelectric actuators to produce a sound wave.
  • Such a microspeaker usually has to generate a high air volume shift in order to achieve a significant sound pressure level.
  • Such a microspeaker is known, for example, from DE 10 2012 220 819 A1.
  • the MEMS transducer can also be designed as a microphone, in which case the acoustic excitation of the membrane via the piezoelectric elements are converted into electrical signals.
  • ME MS microphone is known for example from DE 10 2005 008 51 1 A1.
  • Object of the present invention is to provide a MEMS transducer and a chip with such a MEMS sound transducer, by means of which the piezoelectric effect can be amplified.
  • a MEMS sound transducer for generating and / or detecting sound waves in the audible wavelength spectrum.
  • the MEMS sound transducer is thus preferably designed as a MEMS loudspeaker and / or MEMS microphone.
  • the MEMS transducer comprises a carrier substrate having a cavity.
  • the cavity has at least one opening.
  • the cavity preferably has two openings, in particular openings formed on two opposite sides of the carrier substrate.
  • the carrier substrate is designed in particular as a, preferably closed, frame.
  • the MEMS transducer further comprises a multilayer piezoelectric diaphragm structure.
  • the membrane structure has a plurality of firmly interconnected layers, of which at least one layer has piezoelectric properties.
  • the membrane structure spans the opening of the cavity.
  • the membrane structure is connected in its edge region to the carrier substrate, so that it is able to oscillate for generating and / or detecting sound energy relative to the carrier substrate, in particular the frame.
  • the membrane structure comprises at least in regions - that is, not necessarily extending over its entire surface in a plan view - in cross-section a first and a second piezoelectric layer spaced therefrom, in particular in the vertical direction.
  • the second piezoelectric layer is preferably arranged in side view above the first piezoelectric layer, so that the second piezoelectric layer is preferred over the first piezoelectric layer. is located in the region of the side of the first piezoelectric layer which is remote from the carrier substrate.
  • an intermediate layer is arranged in the area between the two piezoelectric layers. At least one of the two piezo layers can abut directly on the intermediate layer or, alternatively, be spaced apart from the intermediate layer by further layers.
  • the intermediate layer is designed such that by means of it sound energy, which was previously reflected due to the acoustic impedance at an interface of the membrane structure formed between the membrane structure and the adjacent air, can be reflected again in the direction of this interface. As a result, the piezoelectric effect of the membrane structure is enhanced.
  • the intermediate layer is accordingly designed to be sound-reflecting and / or reinforcing the piezoelectric effect of the membrane structure.
  • the acoustic impedance value of the intermediate layer with respect to at least one of the two piezoelectric layers is selected such that the sound energy reflected back at the interface with the air is reflected by the intermediate layer again in the direction of the interface.
  • the membrane structure a larger sound energy is transmitted to the air.
  • the intermediate layer and / or at least one of the piezoelectric layers has a large impedance difference to one another.
  • the intermediate layer has a lower density compared to at least one of the two piezo layers. In this way, advantageously, the impedance difference between the intermediate layer and at least one of the two piezoelectric layers can be increased, so that more sound energy can be reflected by the intermediate layer.
  • An enhancement of the piezoelectric effect of the membrane structure can be achieved, in particular, if the intermediate layer is made of silicon oxide, silicon nitride and / or polysilicon. These materials have a lower density compared to the known piezoelectric materials, so that the sound energy reflection properties of the intermediate layer can be increased.
  • At least one of the two piezoelectric layers is produced from lead zirconate titanate and / or aluminum nitride.
  • the two piezoelectric layers are each embedded between a lower and an upper electrode layer.
  • the membrane structure thus advantageously has, starting from the carrier substrate, a first lower electrode layer, a first piezo layer, a first upper electrode layer, an intermediate layer, a second lower electrode layer, a second piezo layer and a second upper electrode layer.
  • the membrane structure is at least partially coated with a passivation layer on its side facing away from the carrier substrate.
  • the carrier substrate is preferably made of silicon and thus electrically conductive, it is advantageous if an electrical insulating layer, in particular of silicon oxide, is arranged in the region between the carrier substrate and the lowermost electrode layer of the membrane structure.
  • the membrane structure comprises a membrane layer, in particular of polysilicon.
  • the membrane layer preferably extends over the entire opening of the cavity formed in the carrier substrate.
  • the membrane layer is set in vibration by the sound energy arriving from the outside.
  • the membrane layer is vibrated to produce sound waves in the audible wavelength spectrum by means of the appropriately controlled piezoelectric layers.
  • the membrane layer is preferably in the region below the first piezoelectric layer - d. H. in particular between the carrier substrate and the lower first electrode layer - or in the region above the second piezoelectric layer - d. H. in particular on the uppermost electrode layer of the second piezoelectric layer adjacent - is arranged.
  • the membrane structure has on its side facing away from the carrier substrate a plurality of and / or contact recesses formed to different depths.
  • the contact recesses in the cross-sectional view extend from the top of the membrane structure up to each different electrode layers.
  • the two piezoelectric layers can be excited via the respective lower and upper electrode layer and / or electrical signals can be tapped.
  • electrical connection elements are arranged in the contact recesses. These are preferably electrically connected to the respective electrode layer to which they extend. Additionally or alternatively, in the cross-sectional view, the electrical connection elements extend from the region of the top side of the membrane structure over at least one of the two side walls of the contact depression to the bottom thereof.
  • the carrier substrate in the plan view forms a, in particular closed, frame.
  • the cavity of the carrier substrate thus has in each case an opening on two opposite sides, whereby the frame shape of the carrier substrate is formed.
  • the membrane structure in particular in the interior of the frame and / or on its side facing away from the carrier substrate, has at least one recess. In the region of this recess, at least the two piezoelectric layers are preferably removed.
  • the membrane structure thus has, in plan view, at least one active piezoelectric region and at least one passive region, in particular formed by the recess. Only the active region is thus piezoelectrically excitable. In contrast, the passive area is only passively movable with the associated active area.
  • the at least one piezoelectric active region and the at least one passive region form a plan view of the membrane structure, in particular a meandering, bar-shaped, n-bar-shaped and / or spiral pattern.
  • the piezoelectric active region is preferably designed in such a way that, in the case of a MEMS sound transducer designed as a loudspeaker, it can excite the membrane structure to vibrate.
  • the passive region which is no longer piezoelectrically excitable on account of the abraded piezo layers, is, on the other hand, only moved along via the adjacent piezoelectric active region.
  • the recess is designed in such a way that the piezoelectric active region has at least one anchor end connected to the frame in the plan view and / or at least one free end which can be oscillated in the z direction.
  • the free end can thus perform a particularly large stroke relative to the armature end in the z-direction of the MEMS transducer.
  • the active region has at least one, in particular beam-shaped, deflection section in plan view. Additionally or alternatively, it is advantageous if, in the cross-sectional view of the deflection region, in the case of at least one of the two piezo layers, at least one of the two electrode layers is arranged asymmetrically with respect to the piezo layer corresponding therewith. As a result of this asymmetrical arrangement of the electrode layer relative to the piezo layer corresponding therewith, the deflection section or the active region can twist about its longitudinal axis when a voltage is applied. In this way, advantageously, the stroke of the active region in the z direction of the MEMS sound transducer can be increased.
  • the z-stroke of the membrane structure can furthermore be increased if the active region in plan view has at least one first deflection section, one second deflection section and / or one between these two having formed deflection.
  • the armature end is preferably formed at the end of the first deflection section facing away from the deflection section and the free end is formed at the end of the second deflection section facing away from the deflection area. Due to the deflection section, the free end of the active region can thus advantageously be deflected by a greater length in the z direction of the MEMS sound transducer.
  • the deflecting section In order to be able to form the length of the active region as long as possible between its armature end and its free end, it is advantageous for the deflecting section to cover the two deflecting sections in plan view in an angular range of 1 ° to 270 °, in particular by 90 ° or 180 ° , diverts.
  • the membrane structure in the plan view of several, in particular separately controllable, transducer regions.
  • These transducer regions of the one-piece membrane structure preferably have mutually different sizes and / or different patterns.
  • the different sized transducer areas can be designed as a high or woofer.
  • the carrier substrate has at least one support element, in particular in the interior of the frame, in plan view. This is thus preferably arranged to support the membrane structure between two adjacent transducer regions. If one of the two transducer regions is excited to oscillate, the connection region between the two transducer regions is supported by the support element, so that the adjacent transducer region does not or only partially vibrates with it. The wide This prevents tearing of a very large membrane structure.
  • the two mutually adjacent transducer regions can very effectively be decoupled from one another by vibration when the support element with its end facing the membrane structure is fixedly connected to the membrane structure.
  • the support element, with its end facing the membrane structure it may also be advantageous for the support element, with its end facing the membrane structure, to lie loosely against the membrane structure or to be spaced therefrom in the z-direction of the MEMS acoustic transducer.
  • the support element is designed as a wall which preferably divides the cavity into at least two cavity regions.
  • a chip in particular a silicon chip, for generating and / or detecting sound waves in the audible wavelength spectrum is proposed, which has a plurality of MEMS sound transducers arranged in an array-like manner and / or controllable separately from one another. At least one of these MEMS sound transducers is designed according to the preceding description, wherein said features may be present individually or in any desired combination.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a second exemplary embodiment of a MEMS sound transducer with a passivation layer acting as a membrane layer
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a third exemplary embodiment of a MEMS sound transducer with a reinforcing layer, which is formed from a lower insulating layer and / or extends only partially over an opening of the carrier substrate in the vertical direction,
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a fourth exemplary embodiment of a MEMS sound transducer with a reinforcing layer, which is formed from an upper insulating layer and / or extends in a vertical direction over the entire opening of the cavity, FIG.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a fifth exemplary embodiment of a MEMS sound transducer with a reinforcing layer, which is formed from an upper insulating layer and / or extends only partially over the opening of the cavity in the vertical direction, FIG.
  • FIGS. 6a-6f show the individual method steps for producing a
  • FIGS. 7 and 8 show two different exemplary embodiments of a MEMS sound transducer in a perspective view;
  • FIG. 9 shows a cross section through an active region of the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 7 and / or 8,
  • FIG. 10 shows a plan view of a plurality of MEMS sound transducers arranged in the manner of an array in accordance with the exemplary embodiment shown in FIG. 8 and FIG. 10
  • FIG. 11 shows a cross-sectional view of a further exemplary embodiment of a MEMS sound transducer with a one-part membrane structure which has a plurality of transducer regions which are supported in particular in the z direction via at least one support element.
  • FIG. 1 shows a detail of a MEMS sound transducer 1 in cross-section, in particular in the connection region between a membrane structure 5 and a carrier substrate 2 of the MEMS sound transducer 1 designed as a frame.
  • the MEMS sound transducer is designed to generate and / or detect sound waves in the audible wavelength spectrum.
  • the MEMS sound transducer 1 is thus designed as a MEMS loudspeaker and / or MEMS microphone.
  • the MEMS sound transducer 1 comprises a carrier substrate 2, in particular made of silicon.
  • the carrier substrate 2 is - as for example in the embodiment shown in Figure 2 - as, in particular closed, frame formed.
  • the carrier substrate 2 accordingly comprises a cavity 3, which is only partially shown in FIG. 1, or a cavity.
  • the cavity 3 comprises a first opening 4, which is spanned by a membrane structure 5.
  • the cavity 3 On its side facing away from the membrane structure 5, the cavity 3 has a second opening 6.
  • the cavity 3 widens, at least in a region starting from the first opening 4, in the direction of the second opening 6.
  • the membrane structure 5 according to FIG. 1 comprises a plurality of layers which are firmly connected to one another. In its edge region 7, the membrane structure 5 is firmly connected to the carrier substrate 2 on its side facing the carrier substrate 2. The membrane structure 5 can thus be compared with the stationary carrier substrate 2 for generating and / or detecting sound energy in the z direction of the MEMS sound transducer 1, i. according to the orientation shown in Figure 1 in the vertical direction, swing.
  • the membrane structure 5 is formed as a multilayer piezoelectric membrane structure. Accordingly, according to the cross-sectional view illustrated in FIG. 1, the membrane structure 5 comprises a first piezo layer 8 and a second piezo layer 9.
  • the two piezo layers 8, 9 do not necessarily have to be formed continuously over the entire surface of the membrane structure 5. Age- natively, these can also have interruptions, which are explained in more detail in the following embodiments.
  • the two piezo layers 8, 9 are preferably made of lead zirconate titanate (PZT) and / or aluminum nitride (ALN).
  • PZT lead zirconate titanate
  • APN aluminum nitride
  • the two piezo layers 8, 9 are each between two electrode layers 10, 1 1, 12, 13 embedded.
  • the first piezoelectric layer 8 has on its side facing the carrier substrate 2 a first lower electrode layer 10 and on its side remote from the carrier substrate 2 a first upper electrode layer 11.
  • a second lower electrode layer 12 is arranged on the second piezoelectric layer 9 on its side facing the carrier substrate 2 and a second upper electrode layer 13 on its side remote from the carrier substrate 2.
  • the membrane structure 5 may comprise a membrane layer 14.
  • the membrane layer 14 gives the membrane structure 5 a higher rigidity and / or strength.
  • the membrane layer 14 is excited by the two piezo layers 8, 9 to oscillate.
  • the membrane layer 14 is preferably made of polysilicon and / or according to the embodiment shown in Figure 1 below the first piezoelectric layer 8, in particular in the region between the first lower electrode layer 10 and the carrier substrate 2, respectively.
  • the membrane layer 14 is thus located in the region between the carrier substrate 2 and the lower first piezoelectric layer 8.
  • the membrane layer 14 may also be arranged above the second piezoelectric layer 9.
  • the Membrane structure 5 completely dispensed with such a membrane layer 14.
  • the carrier substrate 2 shown in FIG. 1 is preferably made of silicon, and is accordingly electrically conductive, it is advantageous if the carrier substrate 2 has an insulating layer 15, in particular of silicon oxide, on its side facing the membrane structure 5. As a result, the first lower electrode layer 10 can be electrically insulated from the carrier substrate 2.
  • this has, on its side facing away from the carrier substrate 2, a, in particular uppermost, passivation layer 16.
  • the multilayer piezoelectric diaphragm structure 5 described above has a first interface 17 adjacent to the surrounding air. This is located on the side facing away from the carrier substrate 2 side of the membrane structure 5. Furthermore, the membrane structure 5 comprises on its the carrier substrate 2 side facing a second interface 18. Due to the fact that the membrane structure 5, in particular in the region of the two interfaces 17, 18, im Compared to the adjacent air has a very different impedance, a large part of the sound energy to be transmitted at the interface 17, 18 is reflected. As a result, the piezoelectric effect of the MEMS sound transducer 1 is reduced.
  • the membrane structure 5 is first vibrated in the z direction via electrical excitation of the two piezo layers 8, 9.
  • a sound wave in the audible wavelength spectrum is generated at the first interface 17.
  • the sound energy generating sound energy is not completely transferred to the air. Instead, part of the sound energy is due to the large impedance difference between the membrane structure 5 and the adjacent air at the first interface 17 back again, ie in the direction of the carrier substrate 2, reflected. In known from the prior art membrane structure 5, this sound energy is lost, whereby the piezoelectric effect of the membrane structure 5 is reduced.
  • the membrane structure 5 therefore has a sound energy-reflecting intermediate layer 19 according to FIG.
  • the intermediate layer 19 is arranged in the region between the two piezoelectric layers 8, 9 according to the cross-sectional view shown in FIG. In this case, the intermediate layer 19 directly adjoins the first upper electrode layer 11 and the second lower electrode layer 12.
  • the intermediate layer 19 has a lower density compared to at least one of the two piezo layers 8, 9. As a result, the intermediate layer 19 and at least one of the two piezo layers 8, 9 have a mutually different impedance. Due to this difference in impedance, the intermediate layer 19 has a sound-reflecting effect. Due to this, the sound application that was previously reflected back at the first interface 17 is reflected by the intermediate layer 19 again in the direction of the first interface 17 using the example of the loudspeaker application. As a result, this sound energy is not lost, but is used again at the interface 17 to generate a sound wave. As a result, the piezoelectric effect of the membrane structure 5 is enhanced.
  • the sound energy-reflecting properties of the intermediate layer 19 are particularly pronounced when the intermediate layer 19 consists of silicon oxide, silicon nitride and / or polysilicon.
  • the intermediate layer 19 acts on a MEMS sound transducer 1 acting as a microphone.
  • the intermediate layer 19 is not only sound-reflecting but also additionally formed dielectrically. As a result, the first upper electrode layer 11 and the second lower electrode layer 12 are electrically mutually distinct isolated. As a result, additional insulation layers can advantageously be saved.
  • FIGS. 2, 3, 4 and 5 each show different embodiments of the MEMS sound transducer 1.
  • each of these exemplary embodiments has two piezo layers 8, 9 which are spaced apart from one another in the z-direction and which are each sandwiched between two electrode layers 10, 11, 12, 13. Furthermore, between these two piezoelectric layers 8, 9 a to the first embodiment identically formed and identically acting intermediate layer 19 is arranged.
  • the above-mentioned layer combination constitutes the basis for the exemplary embodiments described below. In the following description of these exemplary embodiments, the same reference numerals are used for identical features in comparison to the exemplary embodiment illustrated in FIG. Unless these are explained again in detail, their design and mode of action corresponds to the features already described above.
  • the membrane structure 5 does not have a separate membrane layer 14. Its effect is instead taken over by the passivation layer 1 6, which thus acts as a membrane layer 14.
  • the passivation layer 16 extends in the horizontal direction over the entire first opening 4.
  • the membrane structure 5 In order to be able to actively activate the two piezo layers 8, 9 via the respectively associated electrode layers 10, 11, 12, 13 in the case of a loudspeaker application and / or in the case of a microphone application to be able to pick up the electrical signals generated by the two piezo layers 8, 9 , the membrane structure 5 according to FIG. 2 has a plurality of contact recesses 20a, 20b, 20c, 20d on its side facing away from the carrier substrate 2.
  • the contact recesses 20a, 20b, 20c, 20d extend from the side of the membrane structure 5 facing away from the carrier substrate 2 up to in each case one of the electrode layers 10, 1 1, 12, 13.
  • an electrical connection element 21, in particular an electrical contact is arranged in each of the contact recesses 20a, 20b, 20c, 20d.
  • the connecting element 21 is provided in the embodiment shown in Figure 2 only in one of the contact recesses 20a, 20b, 20c, 20d with a reference numeral.
  • connection elements 21 are each electrically connected to their associated electrode layer 10, 1 1, 12, 13. According to the cross-sectional view shown in FIG. 2, the connection elements 21 each extend from the region of the upper side of the membrane structure 5 over the side walls 22 of the respective contact recesses 20a, 20b, 20c, 20d to their base 23. To ensure that the respective connection elements 21 are exclusively with a single electrode layers 10, 1 1, 12, 12 is electrically connected, in the region between the connecting element 21 and the side wall 22, an additional insulating layer 15 b is arranged.
  • the membrane structure 5 has a plurality of recesses 24a, 24b, 24c, 24d.
  • the recesses 24a, 24b, 24c, 24d extend from the top of the membrane structure 5 in the direction of the carrier substrate 2.
  • the two piezo layers 8, 9 are removed.
  • the membrane structure 5 thus has piezoelectric active regions 25 - in which both piezoelectric layers 8, 9 are still present - and piezoelectric passive regions - in which the two piezoelectric layers 8, 9 are removed - (see also FIGS. 7 and 8).
  • these active areas 25 and passive areas 26 is provided with a reference numeral in the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the two piezo layers 8, 9, the intermediate layer 19 and all the electrode layers 10, 11, 12, 13 are removed.
  • the membrane structure 5 thus exclusively the passivation layer 1 6 on.
  • the passivation layer 1 6 thus acts as a membrane layer 14.
  • the membrane structure 5 has a reinforcing layer 27 in the region of the first opening 4.
  • the first insulating layer 15a is not completely removed in the region of the first opening 4.
  • the reinforcing layer 27 is removed in its region near the support substrate.
  • the reinforcing layer 27 thus has a spacing in the horizontal direction to the carrier substrate 2, in particular as a frame.
  • the distance is at least such that at least one of the passive regions 26 is formed in the edge region without this reinforcing layer 27.
  • the insulating layer 15a arranged in the interior of the carrier substrate 2 designed as a frame thus acts as a reinforcing layer 27.
  • the membrane structure 7 is made more stable and / or stiffer.
  • the membrane structure 5 is in contrast softer and / or more flexible.
  • the reinforcing layer 27 may also be formed by means of the second insulating layer 15b.
  • the reinforcing layer 27 or the second insulating layer 15b extends in the horizontal direction over the entire width of the first opening 4.
  • the second insulation layer 15b acting as reinforcing layer 27 according to FIG. 5 can also be used in the edge region, comparable to the embodiment shown in FIG. example - be removed.
  • the membrane structure 5 has a higher rigidity and / or strength caused by the reinforcing layer 27 only in the inner region.
  • the edge region adjoining the carrier substrate 2 is made more flexible and / or softer in comparison since it has no reinforcing layer 27 or second insulating layer 15b.
  • FIGS. 6a to 6f illustrate the manufacturing process of the MEMS sound transducer 1 on the embodiment shown in FIG.
  • a carrier substrate 2 made of silicon is provided with an insulation layer 15a arranged on the upper side.
  • the membrane structure 5 is applied to the upper side of the insulating layer 15a.
  • the first lower electrode layer 10, the first piezoelectric layer 8, the first upper electrode layer 11, the intermediate layer 19, the second lower electrode layer 12, the second piezoelectric layer 9 and the second upper electrode layer 13 are preferably applied one after the other.
  • a subsequent method step according to FIG.
  • the contact recesses 20 b, 20 c, 20 d and the recesses 24 a, 24 b, 24 c, 24 d are introduced into the membrane structure 5 from the side facing away from the carrier substrate 2.
  • the second insulation layer 15b is applied in the contact recesses 20b, 20c, 20d and the two inner recesses 24b, 24c.
  • the entire membrane structure 5 according to FIG. 6e is coated with the passivation layer 16.
  • the cavity 3 is formed from the underside, so that the carrier substrate 2 now has a frame shape, against which the membrane structure 5 can oscillate in the z-direction.
  • FIGS. 7 and 8 each show two different embodiments of the MEMS sound transducer 1 in a perspective view.
  • the Cavity or the cavity 3 is located in this perspective view shown in Figure 7 and 8 on the back of the MEMS transducer 1 and is therefore not visible.
  • the membrane structure 5 and / or the cavity 3, which is not visible here, is circular in plan view. Furthermore, it can be seen in the perspective view that the recesses 24 - of which only one is provided with a reference numeral for the sake of clarity - form a pattern 28.
  • the pattern 28 is formed by the piezoelectric active regions 25a, 25b, 25c, 25d and the piezoelectric passive regions 26a, 26b, 26c, 26d, 26e.
  • the active region 25a has a rigid and / or firmly clamped first and second armature end 29, 30 connected to the frame or the carrier substrate 2. Furthermore, the active region 25a comprises a free end 31 opposite the two armature ends 29, 30 in the z-direction of deflection. In the region between the respective anchor end 29, 30 and the free end 31, the active region 25a is at least partially substantially meander-shaped.
  • the active region 25a starting from the respective armature end 29, 30, has a respective first deflection section 32, a respective second deflection section 33 - only one of which is provided with a reference numeral - and a common third deflection section 34.
  • the deflection sections 32, 33, 34 are bar-shaped in the two exemplary embodiments illustrated in FIGS. 7 and 8. In each case two mutually adjacent deflection sections 32, 33, 34 are connected to each other by means of a deflection section 35a, 35b. In the present exemplary embodiment, each of the deflection section 35a, 35b deflects the two mutually adjacent deflection sections 32, 33, 34 relative to one another 180 ° around.
  • the free ends 31 of the active regions 25a, 25b, 25c, 25d have a spacing relative to one another and to a centrally located central point 36 in plan view.
  • FIG. 8 shows an alternative exemplary embodiment of the MEMS sound transducer 1 in perspective view, wherein identical designations are used for identical features in comparison to the exemplary embodiment explained above in FIG. Unless these are explained again in detail, their design and mode of action corresponds to the features already described above.
  • the membrane structure 5 is not circular but square. Furthermore, the free ends 31 of the respective active regions 25a, 25b, 25c, 25d lie directly against one another in the central point 36. Additionally or alternatively, however, the free ends 31 can also be connected to one another and / or formed integrally with one another.
  • FIG. 9 shows a cross section through an active region 25, in particular through a beam-shaped deflection section 32, 33, 34 and / or deflection section 35a, 35b of one of the exemplary embodiments illustrated in FIG. 7 and / or FIG.
  • the second upper electrode layer 13 is arranged asymmetrically with respect to the second piezo layer 9.
  • the active region 25 is twisted around its longitudinal axis, as a result of which the maximum lifting height in the z direction of the MEMS sound transducer 1 can be increased.
  • This torsion is indicated in Figure 9 with an arrow.
  • too Further or all electrode layers 10, 1 1, 12, 1 3 with respect to their respective associated piezoelectric layer 8, 9 may be arranged asymmetrically.
  • the MEMS sound transducers 1 can be arranged in an array 37 according to FIG. According to the exemplary embodiment illustrated in FIG. 10, all MEMS sound transducers 1 have the same shape and size. Furthermore, their active region 25 each has the same pattern 28. In an alternative embodiment not shown here, these MEMS sound transducers 1 arranged in the manner of an array may also have different sizes relative to one another. As a result, high and woofers can be formed. Furthermore, the MEMS sound transducers 1 may have different patterns 28 and membrane structure shapes from each other.
  • the MEMS sound transducer 1 comprises at least two transducer regions 38, 39 that can be controlled separately from one another.
  • the transducer regions 38, 39 of the one-piece membrane structure 5 can have different sizes and / or different patterns.
  • the MEMS sound transducer 1 has at least one support element 40 in the interior of the frame or the carrier substrate 2.
  • the support member 40 is formed as a wall and divides the cavity 3 in a first and second cavity portion 41, 42.
  • the support member 40 may be spaced with its the diaphragm structure 5 facing support member end 43 in the z direction thereof.
  • the support member 40 with its Stützelementendet 43 directly, in particular loosely, rests against the underside of the membrane structure 5 and / or is firmly connected thereto.
  • the MEMS sound transducer 1 shown in FIG. 11, which has a plurality of transducer regions 38, 39, may also have an array-like manner in the sense of the embodiment shown in FIG. For example, be arranged with another identically or differently formed MEMS sound transducers 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Schallwandler sowie einen mit diesem ausgebildeten Chip zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einem Trägersubstrat (2), einem in dem Trägersubstrat (2) ausgebildeten Hohlraum (3), der zumindest eine Öffnung (4) aufweist, und einer mehrschichtigen piezoelektrischen Membranstruktur (5), welche die Öffnung (4) des Hohlraums (3) überspannt und in ihrem Randbereich mit dem Trägersubstrat (2) verbunden ist, so dass sie zur Erzeugung und/oder Erfassung von Schallenergie gegenüber dem Trägersubstrat (2) zu schwingen vermag, wobei die Membranstruktur (5) zumindest bereichsweise im Querschnitt eine erste und eine zu dieser beabstandet angeordnete zweite Piezoschicht (8, 9) umfasst. Erfindungsgemäß ist im Bereich zwischen den beiden Piezoschichten (8, 9) eine Zwischenschicht (19) angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass mittels ihr Schallenergie in Richtung zumindest einer an die Luft angrenzenden Grenzfläche (17, 18) der Membranstruktur (5) reflektierbar ist.

Description

Mikro-elektromechanischer Schallwandler mit schallenerqie- reflektierender Zwischenschicht
Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Schallwandler zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einem Trägersubstrat, einem in dem Trägersubstrat ausgebildeten Hohlraum, der zumindest eine Öffnung aufweist, und einer mehrschichtigen piezoelektrischen Membranstruktur, welche die Öffnung des Hohlraums überspannt und in ihrem Randbereich mit dem Trägersubstrat verbunden ist, so dass sie zur Erzeugung und/oder Erfassung von Schallenergie gegenüber dem Trägersubstrat zu schwingen vermag, wobei die Membranstruktur zumindest bereichsweise im Querschnitt eine erste und eine zweite Piezo- schicht umfasst. Ferner betrifft die Erfindung einen Chip, insbesondere einen Silizium-Chip, zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit mehreren arrayartig zueinander angeordneten und/oder getrennt voneinander ansteuerbaren MEMS-Schallwandlern.
Die Bezeichnung MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme.
MEMS-Schallwandler können als Mikrofone und/oder Lautsprecher ausgebildet sein. Die Schallerzeugung bzw. Schallerfassung erfolgt über eine schwingbar gelagerte Membran des MEMS-Schallwandlers. Die Membran kann über piezoelektrische Betätigungsglieder zur Erzeugung einer Schallwelle in Schwingung versetzt werden. Ein derartiger Mikrolautsprecher muss in der Regel eine hohe Luftvolumenverschiebung erzeugen, um einen signifikanten Schalldruckpegel zu erreichen. Ein derartiger Mikrolautsprecher ist beispielsweise aus der DE 10 2012 220 819 A1 bekannt.
Alternativ kann der MEMS-Schallwandler aber auch als Mikrofon ausgebildet sein, wobei hierbei die akustische Anregung der Membran über die piezoelektrischen Elemente in elektrische Signale umgewandelt werden. Ein der- artiges ME MS- Mikrofon ist beispielsweise aus der DE 10 2005 008 51 1 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen MEMS-Schallwandler sowie einen Chip mit einem derartigen MEMS-Schallwandler zu schaffen, mittels dem der piezoelektrische Effekt verstärkt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen MEMS-Schallwandler sowie einen Chip mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Erfindungsgemäß wird ein MEMS-Schallwandler zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum vorgeschlagen. Der MEMS-Schallwandler ist somit vorzugsweise als MEMS-Lautsprecher und/oder MEMS-Mikrofon ausgebildet. Der MEMS-Schallwandler umfasst ein Trägersubstrat mit einem Hohlraum. Der Hohlraum weist zumindest eine Öffnung auf. Vorzugsweise weist der Hohlraum zwei, insbesondere zueinander an zwei gegenüberliegenden Seiten des Trägersubstrats ausgebildete, Öffnungen auf. Das Trägersubstrat ist insbesondere als, vorzugsweis geschlossener, Rahmen ausgebildet. Der MEMS-Schallwandler umfasst ferner eine mehrschichtige piezoelektrische Membranstruktur. Hierbei weist die Membranstruktur mehrere fest miteinander verbundene Schichten auf, von denen zumindest eine Schicht piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Die Membranstruktur überspannt die Öffnung des Hohlraums. Des Weiteren ist die Membranstruktur in ihrem Randbereich mit dem Trägersubstrat verbunden, so dass sie zur Erzeugung und/oder Erfassung von Schallenergie gegenüber dem Trägersubstrat, insbesondere dem Rahmen, zu schwingen vermag. Die Membranstruktur umfasst zumindest bereichsweise - d.h. bei einer Draufsicht nicht zwingend über ihre gesamte Fläche erstreckend - im Querschnitt eine erste und eine zu dieser, insbesondere in Hochrichtung, beabstandet angeordnete zweite Piezoschicht. Die zweite Piezoschicht ist in der Seitenansicht vorzugsweise oberhalb der ersten Piezoschicht angeordnet, so dass sich die zweite Piezoschicht gegenüber der ersten Piezoschicht vorzugswei- se im Bereich der dem Trägersubstrat abgewandten Seite der ersten Pie- zoschicht befindet.
Im Bereich zwischen den beiden Piezoschichten ist eine Zwischenschicht angeordnet. Zumindest eine der beiden Piezoschichten kann unmittelbar an der Zwischenschicht anliegen oder alternativ auch durch weitere Schichten von der Zwischenschicht beabstandet sein. Die Zwischenschicht ist derart ausgebildet, dass mittels ihr Schallenergie, die zuvor aufgrund der akustischen Impedanz an einer zwischen der Membranstruktur und der angrenzenden Luft ausgebildeten Grenzfläche der Membranstruktur zurückgeworfen wurde, wieder in Richtung dieser Grenzfläche reflektierbar ist. Hierdurch wird der piezoelektrische Effekt der Membranstruktur verstärkt. Die Zwischenschicht ist demnach schallenergiereflektierend und/oder den piezoelektrischen Effekt der Membranstruktur verstärkend ausgebildet.
Bei der Übertragung von Schallenergie von einem ersten Medium, insbesondere der Membranstruktur, auf ein zweites Medium, insbesondere der an die Membranstruktur angrenzenden Luft, treten insbesondere dann Impedanzprobleme auf, wenn die akustische Impedanz der beiden Medien sehr unterschiedlich ist. Dies ist bei der Membranstruktur und der angrenzenden Luft der Fall. Aufgrund dessen wird ein Teil der Schallenergie an der Grenzfläche dieser beiden Medien, das heißt an der Grenzfläche zwischen der Membranstruktur und der daran angrenzenden Luft, wieder reflektiert bzw. zurückgeworfen. Hierdurch wird die Effektivität der Membranstruktur bei der Schallerzeugung und/oder Schallerfassung reduziert. Um beispielsweise bei der Schallerzeugung die Schallenergieübertragung von der Membranstruktur auf die Luft zu verbessern, ist, wie bereits vorstehend erwähnt, zwischen den beiden Piezoschichten die Zwischenschicht angeordnet. Hierbei ist der akustische Impedanzwert der Zwischenschicht in Bezug auf zumindest eine der beiden Piezoschichten derart gewählt, dass die an der Grenzfläche zur Luft zurückgeworfene Schallenergie durch die Zwischenschicht wieder in Richtung der Grenzfläche reflektiert wird. Hierdurch kann von der Membranstruk- tur eine größere Schallenergie an die Luft übertragen werden. Vorteilhafterweise weist die Zwischenschicht und/oder zumindest eine der Piezoschich- ten zueinander einen großen Impedanzunterschied auf.
Vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenschicht im Vergleich zu zumindest einer der beiden Piezoschichten eine geringere Dichte aufweist. Hierdurch kann vorteilhafterweise der Impedanzunterschied zwischen der Zwischenschicht und zumindest einer der beiden Piezoschichten vergrößert werden, so dass von der Zwischenschicht mehr Schallenergie reflektierbar ist.
Eine Verstärkung des piezoelektrischen Effektes der Membranstruktur kann insbesondere dann erzielt werden, wenn die Zwischenschicht aus Silicium- oxid, Siliciumnitrid und/oder Polysilicium hergestellt ist. Diese Materialien weisen im Vergleich zu den bekannten Piezomaterialien eine geringere Dichte auf, so dass die Schallenergie-Reflektionseigenschaften der Zwischenschicht erhöht werden können.
Um einen möglichst großen Impedanzunterschied zwischen der Zwischenschicht und zumindest einer der beiden Piezoschichten realisieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine der beiden Piezoschichten aus Blei-Zirkonat-Titanat und/oder Aluminiumnitrid hergestellt ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Piezoschichten jeweils zwischen einer unteren und einer oberen Elektrodenschicht eingebettet. In der Querschnittsansicht weist die Membranstruktur somit vorteilhafterweise vom Trägersubstrat ausgehend eine erste untere Elektrodenschicht, eine erste Piezoschicht, eine erste obere Elektrodenschicht, eine Zwischenschicht, eine zweite untere Elektrodenschicht, eine zweite Piezoschicht und eine zweite obere Elektrodenschicht auf.
Um die beiden Piezoschichten mit ihren jeweiligen unteren und/oder oberen Elektrodenschichten voneinander elektrisch zu entkoppeln, ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht dielektrisch ausgebildet ist. Hierdurch können zusätzliche elektrische Isolationsschichten eingespart werden.
Zum Schutz der Membranstruktur vor äußeren Einflüssen ist die Membranstruktur an ihrer dem Trägersubstrat abgewandten Seite zumindest teilweise mit einer Passivierungsschicht überzogen.
Da das Trägersubstrat vorzugsweise aus Silizium und somit elektrisch leitend ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn im Bereich zwischen dem Trägersubstrat und der untersten Elektrodenschicht der Membranstruktur eine elektrische Isolierungsschicht, insbesondere aus Siliciumoxid, angeordnet ist.
Vorteilhafterweise umfasst die Membranstruktur eine Membranschicht, insbesondere aus Polysilicium. Die Membranschicht erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Öffnung des im Trägersubstrat ausgebildeten Hohlraums. Bei einem als Mikrofon ausgebildeten MEMS-Schallwandler wird die Membranschicht durch die von außen auf sie eintreffende Schallenergie in Schwingung versetzt. Bei einem als Lautsprecher ausgebildeten MEMS- Schallwandler wird die Membranschicht zur Erzeugung von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mittels der entsprechend angesteuerten Piezoschichten in Schwingung versetzt. Um die Schallenergiereflexionsei- genschaften der Zwischenschicht nicht negativ zu beeinflussen, ist es vorteilhaft, wenn die Membranschicht vorzugsweise im Bereich unterhalb der ersten Piezoschicht - d. h. insbesondere zwischen dem Trägersubstrat und der unteren ersten Elektrodenschicht - oder im Bereich oberhalb der zweiten Piezoschicht - d. h. insbesondere an der obersten Elektrodenschicht der zweiten Piezoschicht anliegend - angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn die Membranstruktur auf ihrer dem Trägersubstrat abgewandten Seite mehrere und/oder zueinander unterschiedlich tief ausgebildete Kontaktvertiefungen aufweist. Vorzugsweise erstrecken sich die Kontaktvertiefungen in der Querschnittsansicht von der Oberseite der Membran- struktur bis zu jeweils unterschiedlichen Elektrodenschichten. Hierdurch können die beiden Piezoschichten über die jeweilige untere und obere Elektrodenschicht angeregt werden und/oder elektrische Signale abgegriffen werden.
Aus gleichem Grund ist es vorteilhaft, wenn in den Kontaktvertiefungen elektrische Anschlusselemente angeordnet sind. Diese sind vorzugsweise mit der jeweiligen Elektrodenschicht, bis zu der sie sich erstrecken, elektrisch verbunden. Zusätzlich oder alternativ erstrecken sich die elektrischen Anschlusselemente in der Querschnittsansicht vom Bereich der Oberseite der Membranstruktur über zumindest eine der beiden Seitenwände der Kontaktvertiefung bis zu deren Grund.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat in der Draufsicht einen, insbesondere geschlossenen, Rahmen ausbildet. Der Hohlraum des Trägersubstrats weist somit an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Öffnung auf, wodurch die Rahmenform des Trägersubstrats ausgebildet wird.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn die Membranstruktur, insbesondere im Innenraum des Rahmens und/oder auf ihrer dem Trägersubstrat abgewandten Seite, zumindest eine Aussparung aufweist. Im Bereich dieser Aussparung sind vorzugsweise zumindest die beiden Piezoschichten abgetragen. Die Membranstruktur weist somit in der Draufsicht zumindest einen piezoelektrischen Aktivbereich und zumindest einen, insbesondere durch die Aussparung ausgebildeten, Passivbereich auf. Nur der Aktivbereich ist somit piezoelektrisch anregbar. Der Passivbereich ist im Gegensatz dazu lediglich passiv mit dem damit verbundenen Aktivbereich mitbewegbar.
Vorteilhafterweise bilden der zumindest eine piezoelektrische Aktivbereich und der zumindest eine Passivbereich in der Draufsicht auf die Membranstruktur, insbesondere ein mäanderförmiges, balkenförmiges, n-balken- förmiges und/oder spiralförmiges, Muster aus. Hierdurch kann die Membran- struktur einen größeren Hub in z-Richtung des MEMS-Schallwandlers durchführen, wodurch kann ein höherer Schalldruck erzeugt werden kann.
Der piezoelektrische Aktivbereich ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieser bei einem als Lautsprecher ausgebildeten MEMS-Schallwandler die Membranstruktur zum Schwingen anzuregen vermag. Der Passivbereich, der aufgrund der abgetragenen Piezoschichten nicht mehr piezoelektrisch anregbar ist, wird hingegen über den angrenzenden piezoelektrischen Aktivbereich nur mitbewegt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Aussparung derart ausgebildet ist, dass der piezoelektrische Aktivbereich in der Draufsicht zumindest ein mit dem Rahmen verbundenes Ankerende und/oder zumindest ein gegenüber diesem in z- Richtung schwingbares freies Ende aufweist. Das freie Ende kann somit gegenüber dem Ankerende in z-Richtung des MEMS-Schallwandlers einen besonders großen Hub ausführen.
Zur Huberhöhung in z-Richtung des MEMS-Schallwandlers ist es vorteilhaft, wenn der Aktivbereich in der Draufsicht zumindest einen, insbesondere bal- kenförmigen, Auslenkabschnitt aufweist. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn in der Querschnittsansicht des Auslenkbereiches im Falle zumindest einer der beiden Piezoschichten zumindest eine der beiden Elektrodenschichten gegenüber der damit korrespondierenden Piezoschicht asymmetrisch angeordnet ist. Durch diese asymmetrische Anordnung der Elektrodenschicht gegenüber der damit korrespondierenden Piezoschicht kann der Auslenkabschnitt bzw. der Aktivbereich beim Anlegen einer Spannung um seine Längsachse tordieren. Hierdurch kann vorteilhafterweise der Hub des Aktivbereiches in z-Richtung des MEMS-Schallwandlers erhöht werden.
Der z-Hub der Membranstruktur kann ferner dadurch erhöht werden, wenn der Aktivbereich in der Draufsicht zumindest einen ersten Auslenkabschnitt, einen zweiten Auslenkabschnitt und/oder einen zwischen diesen beiden aus- gebildeten Umlenkabschnitt aufweist. Hierbei ist das Ankerende vorzugsweise an dem dem Umlenkabschnitt abgewandten Ende des ersten Auslenkabschnittes und das freie Ende an dem dem Umlenkbereich abgewandten Ende des zweiten Auslenkabschnittes ausgebildet. Aufgrund des Umlenkabschnittes kann das freie Ende des Aktivbereiches somit vorteilhafterweise um eine größere Länge in z-Richtung des MEMS-Schallwandlers ausgelenkt werden.
Um die Länge des Aktivbereiches zwischen seinem Ankerende bis zu seinem freien Ende möglichst lang ausbilden zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Umlenkabschnitt die beiden Auslenkabschnitte in der Draufsicht zueinander in einem Winkelbereich von 1 ° bis 270°, insbesondere um 90° oder 180°, umlenkt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Membranstruktur in der Draufsicht mehrere, insbesondere getrennt voneinander ansteuerbare, Wandlerbereiche auf. Diese Wandlerbereiche der einteiligen Membranstruktur weisen vorzugsweise zueinander unterschiedliche Größen und/oder unterschiedliche Muster auf. Die unterschiedlich groß ausgebildeten Wandlerbereiche können als Hoch- oder Tieftöner ausgebildet sein.
Um zwei benachbarte Wandlerbereiche voneinander zumindest teilweise zu entkoppeln und/oder um die aus mehreren Wandlerbereichen bestehende einteilige Membranstruktur zu unterstützen, ist es vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat in der Draufsicht zumindest ein, insbesondere im Innenraum des Rahmens ausgebildetes, Stützelement aufweist. Dieses ist somit vorzugsweise zur Stützung der Membranstruktur zwischen zwei benachbarten Wandlerbereichen angeordnet. Wenn einer der beiden Wandlerbereiche zum Schwingen angeregt wird, wird der Verbindungsbereich zwischen den beiden Wandlerbereichen durch das Stützelement abgestützt, so dass der dazu benachbarte Wandlerbereich nicht oder nur teilweise mit schwingt. Des Weite- ren wird ein Reißen einer sehr groß ausgebildeten Membranstruktur hierdurch vermieden.
Die beiden zueinander benachbarten Wandlerbereiche können sehr effektiv voneinander schwingungsentkoppelt werden, wenn das Stützelement mit seinem der Membranstruktur zugewandten Ende mit der Membranstruktur fest verbunden ist. Alternativ kann es aber auch ebenso vorteilhaft sein, wenn die beiden zueinander benachbarten Wandlerbereiche nicht vollständig voneinander entkoppelt sind. Infolgedessen kann es ebenso vorteilhaft sein, wenn das Stützelement mit seinem der Membranstruktur zugewandten Ende an der Membranstruktur lose anliegt oder in z-Richtung des MEMS-Schall- wandlers von dieser beabstandet ist.
Zur akustischen Entkopplung zweier benachbarter Wandlerbereiche ist es vorteilhaft, wenn das Stützelement als Wand ausgebildet ist, die den Hohlraum vorzugsweise in zumindest zwei Hohlraumbereiche unterteilt.
Erfindungsgemäß wird ein Chip, insbesondere ein Silicium-Chip, zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum vorgeschlagen, der mehrere arrayartig zueinander angeordnete und/oder getrennt voneinander ansteuerbare MEMS-Schallwandler aufweist. Zumindest einer dieser MEMS-Schallwandler ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest zwei der MEMS-Schallwandler zueinander unterschiedlich groß ausgebildet sind, unterschiedliche Formen und/oder unterschiedliche Muster aufweisen.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt: Figur 1 einen Detailausschnitt eines Basisausführungsbeispiels eines MEMS-Schallwandlers im Querschnitt,
Figur 2 eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines MEMS-Schallwandlers mit einer als Membranschicht wirkenden Passivierungsschicht,
Figur 3 eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines MEMS-Schallwandlers mit einer Verstärkungsschicht, die aus einer unteren Isolierungsschicht ausgebildet ist und/oder sich in Vertikalrichtung nur teilweise über eine Öffnung des Trägersubstrates erstreckt,
Figur 4 eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines MEMS-Schallwandlers mit einer Verstärkungsschicht, die aus einer oberen Isolierungsschicht ausgebildet ist und/oder sich in Vertikalrichtung über die gesamte Öffnung des Hohlraumes erstreckt,
Figur 5 eine Querschnittsansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines MEMS-Schallwandlers mit einer Verstärkungsschicht, die aus einer oberen Isolierungsschicht ausgebildet ist und/oder sich in Vertikalrichtung nur teilweise über die Öffnung des Hohlraumes erstreckt,
Figuren 6a - 6f die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen eines
MEMS-Schallwandlers des in Figur 5 dargestellten fünften Ausführungsbeispiels,
Figuren 7 und 8 zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele eine MEMS- Schallwandlers in perspektivischer Ansicht, Figur 9 einen Querschnitt durch einen Aktivbereich der in Figur 7 und/oder 8 dargestellten Ausführungsbeispiele,
Figur 10 eine Draufsicht auf mehrere arrayartig zueinander angeordnete MEMS-Schallwandler gemäß dem in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel und
Figur 11 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines MEMS-Schallwandlers mit einer einteiligen Membranstruktur, die mehrere, insbesondere über zumindest ein Stützelement in z-Richtung abgestütze Wandlerbereiche aufweist.
Um die Beziehungen zwischen den nachfolgend beschriebenen verschiedenen Elementen zu definieren, werden bezugnehmend auf die jeweils in den Figuren dargestellte Lage der Objekte relative Begriffe, wie beispielsweise oberhalb, unterhalb, oben, unten, drüber, drunter, links, rechts, vertikal und horizontal, verwendet. Es versteht sich von selbst, dass sich diese Begrifflichkeiten bei einer Abweichung von der in den Figuren dargestellten Lage der Vorrichtungen und/oder Elemente verändern können. Demnach würde beispielsweise bei einer in Bezug auf die Figuren dargestellten invertierten Orientierung der Vorrichtungen und/oder Elemente ein in der nachfolgenden Figurenbeschreibung als oberhalb spezifiziertes Merkmal nunmehr unterhalb angeordnet sein. Die verwendeten Relativbegriffe dienen somit lediglich zur einfacheren Beschreibung der relativen Beziehungen zwischen den einzelnen im nachfolgenden beschriebenen Vorrichtungen und/oder Elemente.
Figur 1 zeigt einen Detailausschnitt eines MEMS-Schallwandlers 1 im Querschnitt, insbesondere im Verbindungsbereich zwischen einer Membranstruktur 5 und einem als Rahmen ausgebildeten Trägersubstrat 2 des MEMS- Schallwandlers 1 . Der MEMS-Schallwandler ist zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum ausgebildet. Der MEMS-Schallwandler 1 ist somit als MEMS-Lautsprecher und/oder MEMS-Mikrofon ausgebildet.
Gemäß Figur 1 umfasst der MEMS-Schallwandler 1 ein Trägersubstrat 2, insbesondere aus Silicium. Das Trägersubstrat 2 ist - wie beispielsweise in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel - als, insbesondere geschlossener, Rahmen ausgebildet. Das Trägersubstrat 2 umfasst demnach einen in Figur 1 nur teilweise dargestellten Hohlraum 3 bzw. eine Kavität. Der Hohlraum 3 umfasst eine erste Öffnung 4, die von einer Membranstruktur 5 überspannt ist. Auf ihrer der Membranstruktur 5 abgewandten Seite weist der Hohlraum 3 eine zweite Öffnung 6 auf. Der Hohlraum 3 erweitert sich zumindest in einem Bereich von der ersten Öffnung 4 ausgehend in Richtung der zweiten Öffnung 6.
Die Membranstruktur 5 umfasst gemäß Figur 1 mehrere fest miteinander verbundene Schichten. In ihrem Randbereich 7 ist die Membranstruktur 5 auf ihrer dem Trägersubstrat 2 zugewandten Seite fest mit dem Trägersubstrat 2 verbunden. Die Membranstruktur 5 kann somit gegenüber dem ortsfesten Trägersubstrat 2 zur Erzeugung und/oder Erfassung von Schallenergie in z- Richtung des MEMS-Schallwandler 1 , d.h. gemäß der in Figur 1 dargestellten Orientierung in Vertikalrichtung, schwingen.
Um die Membranstruktur 5 im Falle einer Lautsprecherapplikation über eine entsprechende elektrische Ansteuerung zum Schwingen anzuregen und/oder um im Falle einer Mikrofonapplikation die fremdangeregten Schwingungen der Membranstruktur 5 in elektrische Signale umzuwandeln, ist die Membranstruktur 5 als mehrschichtige piezoelektrische Membranstruktur ausgebildet. Die Membranstruktur 5 umfasst demnach gemäß der in Figur 1 dargestellten Querschnittsansicht eine erste Piezoschicht 8 und eine zweite Pie- zoschicht 9. Die beiden Piezoschichten 8, 9 müssen nicht zwingend über die gesamte Fläche der Membranstruktur 5 durchgängig ausgebildet sein. Alter- nativ können diese auch Unterbrechungen aufweisen, die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die beiden Piezoschichten 8, 9 bestehen vorzugsweise aus Blei-Zirkonat- Titanat (PZT) und/oder Aluminiumnitrid (ALN). Um bei einer Auslenkung der beiden Piezoschichten 8, 9 ein elektrisches Signal erfassen zu können und/oder um die beiden Piezoschichten 8, 9 über das Anlegen einer Spannung aktiv auslenken zu können, sind die beiden Piezoschichten 8, 9 jeweils zwischen zwei Elektrodenschichten 10, 1 1 , 12, 13 eingebettet. Demnach weist die erste Piezoschicht 8 auf ihrer dem Trägersubstrat 2 zugewandten Seite eine erste untere Elektrodenschicht 10 und auf ihrer dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite eine erste obere Elektrodenschicht 1 1 auf. In gleicher Art und Weise ist an der zweiten Piezoschicht 9 an ihrer dem Trägersubstrat 2 zugewandten Seite eine zweite untere Elektrodenschicht 12 und auf ihrer dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite eine zweite obere Elektrodenschicht 13 angeordnet.
Des Weiteren kann die Membranstruktur 5 gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Membranschicht 14 umfassen. Die Membranschicht 14 verleiht der Membranstruktur 5 eine höhere Steifigkeit und/oder Festigkeit. Im Falle einer Lautsprecherapplikation wird die Membranschicht 14 von den beiden Piezoschichten 8, 9 zum Schwingen angeregt. Die Membranschicht 14 besteht vorzugsweise aus Polysilicium und/oder ist gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel unterhalb der ersten Piezoschicht 8, insbesondere im Bereich zwischen der ersten unteren Elektrodenschicht 10 und dem Trägersubstrat 2, angeordnet. Die Membranschicht 14 befindet sich somit im Bereich zwischen dem Trägersubstrat 2 und der unteren ersten Piezoschicht 8. In einem hier nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel kann die Membranschicht 14 aber auch oberhalb der zweiten Piezoschicht 9 angeordnet sein. Neben den beiden vorstehend genannten Ausführungsbeispielen ist es aber auch ebenso denkbar, dass die Membranstruktur 5 vollständig auf eine derartige Membranschicht 14 verzichtet.
Da das in Figur 1 dargestellte Trägersubstrat 2 vorzugsweise aus Silicium hergestellt ist, und demnach elektrisch leitend ist, ist es vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat 2 an seiner der Membranstruktur 5 zugewandten Seite eine Isolierungsschicht 15, insbesondere aus Siliciumoxid, aufweist. Hierdurch kann die erste untere Elektrodenschicht 10 vom Trägersubstrat 2 elektrisch isoliert werden.
Zum Schutz der Membranstruktur 5 vor äußeren Einflüssen weist diese an ihrer dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite eine, insbesondere oberste, Passivierungsschicht 1 6 auf.
Die vorstehend beschriebene mehrschichtige piezoelektrische Membranstruktur 5 weist eine an die umgebende Luft angrenzende erste Grenzfläche 17 auf. Diese befindet sich an der dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite der Membranstruktur 5. Des Weiteren umfasst die Membranstruktur 5 auf ihrer dem Trägersubstrat 2 zugewandten Seite eine zweite Grenzfläche 18. Dadurch, dass die Membranstruktur 5, insbesondere im Bereich der beiden Grenzflächen 17, 18, im Vergleich zur angrenzende Luft eine stark unterschiedliche Impedanz aufweist, wird ein großer Teil der zu übertragenden Schallenergie an der Grenzfläche 17, 18 reflektiert. Hierdurch wird der piezoelektrische Effekt des MEMS-Schallwandler 1 reduziert.
So wird beispielsweise bei einer Lautsprecherapplikation die Membranstruktur 5 zunächst über eine elektrische Anregung der beiden Piezoschichten 8, 9 in z-Richtung in Schwingung versetzt. Hierbei wird an der ersten Grenzfläche 17 eine Schallwelle im hörbaren Wellenlängenspektrum erzeugt. Die die Schallwelle erzeugende Schallenergie wird jedoch nicht vollständig auf die Luft übertragen. Stattdessen wird ein Teil der Schallenergie aufgrund des großen Impedanzunterschiedes zwischen der Membranstruktur 5 und der angrenzenden Luft an der ersten Grenzfläche 17 wieder zurück, d.h. in Richtung des Trägersubstrats 2, reflektiert. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Membranstruktur 5 geht diese Schallenergie verloren, wodurch der piezoelektrische Effekt der Membranstruktur 5 reduziert wird.
Um dies zu vermeiden weist die Membranstruktur 5 deshalb gemäß Figur 1 eine schallenergiereflektierende Zwischenschicht 19 auf. Die Zwischenschicht 19 ist gemäß der in Figur 1 dargestellten Querschnittsansicht im Bereich zwischen den beiden Piezoschichten 8, 9 angeordnet. Die Zwischenschicht 19 liegt hierbei unmittelbar an der ersten oberen Elektrodenschicht 1 1 und der zweiten unteren Elektrodenschicht 12 an.
Die Zwischenschicht 19 weist im Vergleich zu zumindest einer der beiden Piezoschichten 8, 9 eine geringere Dichte auf. Infolgedessen weist die Zwischenschicht 19 und zumindest eine der beiden Piezoschichten 8, 9 eine zueinander unterschiedliche Impedanz auf. Aufgrund dieses Impedanzunterschiedes wirkt die Zwischenschicht 19 schallenergiereflektierend. Aufgrund dessen wird am Beispiel der Lautsprecherapplikation die zuvor an der ersten Grenzfläche 17 teilweise zurückgeworfene Schallenergie von der Zwischenschicht 19 erneut in Richtung der ersten Grenzfläche 17 reflektiert. Hierdurch geht diese Schallenergie nicht verloren, sondern wird an der Grenzfläche 17 erneut zur Erzeugung einer Schallwelle genutzt. Hierdurch wird der piezoelektrische Effekt der Membranstruktur 5 verstärkt. Die Schallenergie reflektierenden Eigenschaften der Zwischenschicht 19 sind besonders gut ausgeprägt, wenn die Zwischenschicht 19 aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid und/oder Polysilicium besteht. In analoger Weise wirkt die Zwischenschicht 19 bei einem als Mikrofon wirkenden MEMS-Schallwandler 1 .
Die Zwischenschicht 19 ist nicht nur schallreflektierend sondern zusätzlich auch dielektrisch ausgebildet. Hierdurch sind die erste obere Elektrodenschicht 1 1 und die zweite untere Elektrodenschicht 12 voneinander elektrisch isoliert. Hierdurch können vorteilhafterweise zusätzliche Isolierungsschichten eingespart werden.
In den Figuren 2, 3, 4 und 5 sind jeweils unterschiedliche Ausführungsformen des MEMS-Schallwandler 1 dargestellt. Jedes dieser Ausführungsbeispiele weist gemäß der in Figur 1 im Detailausschnitt dargestellten Membranstruktur 52 zwei voneinander in z-Richtung beabstandete Piezoschichten 8, 9 auf, die jeweils sandwichartig zwischen zwei Elektrodenschichten 10, 1 1 , 12, 13 angeordnet sind. Ferner ist zwischen diesen beiden Piezoschichten 8, 9 eine zum ersten Ausführungsbeispiel identisch ausgebildete und identisch wirkende Zwischenschicht 19 angeordnet. Die vorstehend genannte Schichtkombination stellt die Basis für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele dar. Bei der nachfolgenden Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele werden im Vergleich zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel für gleiche Merkmale gleich Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und Wirkweise den vorstehend bereits beschriebenen Merkmalen.
Gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Membranstruktur 5 keine separate Membranschicht 14 auf. Ihre Wirkung wird stattdessen von der Passivierungsschicht 1 6 übernommen, die somit als Membranschicht 14 wirkt. Die Passivierungsschicht 1 6 erstreckt sich in Horizontalrichtung über die gesamte erste Öffnung 4.
Um die beiden Piezoschichten 8, 9 über die jeweils diesem zugeordneten Elektrodenschichten 10, 1 1 , 12, 13 im Falle einer Lautsprecherapplikation aktiv ansteuern zu können und/oder um im Falle einer Mikrofonapplikation die von beiden Piezoschichten 8, 9 erzeugten elektrischen Signale abgreifen zu können, weist die Membranstruktur 5 gemäß Figur 2 auf ihrer dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite mehrere Kontaktvertiefungen 20a, 20b, 20c, 20d auf. Die Kontaktvertiefungen 20a, 20b, 20c, 20d erstrecken sich von der dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite der Membranstruktur 5 bis zu jeweils einer der Elektrodenschichten 10, 1 1 , 12, 13. In den Kontaktvertiefungen 20a, 20b, 20c, 20d ist jeweils ein elektrisches Anschlusselement 21 , insbesondere ein elektrischer Kontakt, angeordnet. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist das Anschlusselement 21 in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel nur in einer der Kontaktvertiefungen 20a, 20b, 20c, 20d mit einem Bezugszeichen versehen.
Die Anschlusselemente 21 sind jeweils mit der ihnen zugeordneten Elektrodenschicht 10, 1 1 , 12, 13 elektrisch verbunden. Gemäß der in Figur 2 dargestellten Querschnittsansicht erstrecken sich die Anschlusselemente 21 jeweils vom Bereich der Oberseite der Membranstruktur 5 über die Seitenwände 22 der jeweiligen Kontaktvertiefungen 20a, 20b, 20c, 20d bis zu deren Grund 23. Um sicherzustellen, dass die jeweiligen Anschlusselemente 21 ausschließlich mit einer einzigen Elektrodenschichten 10, 1 1 , 12, 12 elektrisch verbunden ist, ist im Bereich zwischen dem Anschlusselement 21 und der Seitenwand 22 eine zusätzliche Isolierungsschicht 15b angeordnet.
Um den maximalen Hub der Membranstruktur 5 in z-Richtung zu verbessern, weist die Membranstruktur 5 mehrere Aussparungen 24a, 24b, 24c, 24d auf. Die Aussparungen 24a, 24b, 24c, 24d erstrecken sich von der Oberseite der Membranstruktur 5 in Richtung des Trägersubstrats 2. Im Bereich der Aussparungen 24a, 24b, 24c, 24d sind die beiden Piezoschichten 8, 9 abgetragen. Die Membranstruktur 5 weist somit piezoelektrische Aktivbereiche 25 - in denen noch beide Piezoschichten 8, 9 vorhanden sind - und piezoelektrische Passivbereiche - in denen die beiden Piezoschichten 8, 9 entfernt sind - auf (vgl. auch Figur 7 und 8). Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel nur jeweils einer dieser Aktivbereiche 25 und Passivbereiche 26 mit einem Bezugszeichen versehen.
Gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Piezoschichten 8, 9, die Zwischenschicht 19 und alle Elektrodenschichten 10, 1 1 , 12, 13 abgetragen. Im Bereich der jeweiligen Passivbereiche 26 weist die Membranstruktur 5 somit ausschließlich die Passivierungsschicht 1 6 auf. Die Passivierungsschicht 1 6 wirkt demnach als Membranschicht 14.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel darin, dass die Membranstruktur 5 im Bereich der ersten Öffnung 4 eine Verstärkungsschicht 27 aufweist. Hierfür ist die erste Isolierungsschicht 15a im Bereich der ersten Öffnung 4 nicht vollständig entfernt. Gemäß Figur 3 erstreckt sich diese in der in Figur 3 dargestellten Querschnittsansicht horizontal über mehrere, insbesondere über alle, Aktivbereiche 25 und mehrere, insbesondere die beiden inneren, Passivbereiche 26. In ihrem trägersubstratnahen Randbereich ist die Verstärkungsschicht 27 jedoch abgetragen. Die Verstärkungsschicht 27 weist somit in Horizontalrichtung zum, insbesondere als Rahmen ausgebildeten, Trägersubstrat 2 einen Abstand auf. Der Abstand ist zumindest derart Ausgebildet, dass wenigstens einer der Passivbereiche 26 im Randbereich ohne diese Verstärkungsschicht 27 ausgebildet ist. Die im Innenraum des als Rahmen ausgebildeten Trägersubstrats 2 angeordnete Isolierungsschicht 15a wirkt somit als Verstärkungsschicht 27. Im Bereich der Verstärkungsschicht 27 ist die Membranstruktur 7 stabiler und/oder steifer ausgebildet. In ihrem ohne diese Verstärkungsschicht 27 ausgebildeten Randbereich ist die Membranstruktur 5 im Gegensatz dazu weicher und/oder flexibler ausgebildet.
Alternativ kann gemäß dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die Verstärkungsschicht 27 aber auch mittels der zweiten Isolierungsschicht 15b ausgebildet sein. Hierbei erstreckt sich die Verstärkungsschicht 27 bzw. die zweite Isolierungsschicht 15b in horizontaler Richtung über die gesamte Breite der ersten Öffnung 4.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die als Verstärkungsschicht 27 wirkende zweite Isolierungsschicht 15b gemäß Figur 5 aber auch im Randbereich - vergleichbar mit dem in Figur 3 dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel - entfernt sein. Hierdurch weist die Membranstruktur 5 nur im inneren Bereich eine durch die Verstärkungsschicht 27 bewirkte höhere Steifigkeit und/oder Festigkeit auf. Der an das Trägersubstrat 2 angrenzende Randbereich ist im Vergleich dazu flexibler und/oder weicher ausgebildet, da dieser keine Verstärkungsschicht 27 bzw. zweite Isolierungsschicht 15b aufweist.
Die Figuren 6a bis 6f veranschaulichen den Herstellungsprozess des MEMS- Schallwandler 1 an dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel. Hierbei wird zunächst gemäß Figur 6a ein Trägersubstrat 2 aus Silizium mit einer an der Oberseite angeordneten Isolierungsschicht 15a bereitgestellt. Anschließend wird gemäß Figur 6b die Membranstruktur 5 auf der Oberseite der Isolierungsschicht 15a aufgebracht. Hierbei wird vorzugsweise nacheinander zunächst die erste untere Elektrodenschicht 10, die erste Piezoschicht 8, die erste obere Elektrodenschicht 1 1 , die Zwischenschicht 19, die zweite untere Elektrodenschicht 12, die zweite Piezoschicht 9 und die zweite obere Elektrodenschicht 13 aufgebracht. In einem daran anschließenden Verfahrensschritt werden gemäß Figur 6c die Kontaktvertiefungen 20b, 20c, 20d und die Aussparungen 24a, 24b, 24c, 24d von der dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite in die Membranstruktur 5 eingebracht. Anschließend wird gemäß Figur 6d die zweite Isolierungsschicht 15b in die Kontaktvertiefungen 20b, 20c, 20d und die beiden inneren Aussparungen 24b, 24c aufgebracht. Nachdem die Kontaktvertiefungen 20a, 20b, 20c, 20d mit den jeweiligen Anschlusselemente 21 versehen wurden, wird die gesamte Membranstruktur 5 gemäß Figur 6e mit der Passivierungsschicht 1 6 überzogen. In einem letzten Verfahrensschritt wird gemäß Figur 6f von der Unterseite her der Hohlraum 3 ausgebildet, so dass das Trägersubstrat 2 nunmehr eine Rahmenform aufweist, gegenüber dieser die Membranstruktur 5 in z-Richtung zu schwingen vermag.
In den Figuren 7 und 8 sind jeweils zwei unterschiedliche Ausführungsformen des MEMS-Schallwandler 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die Kavität bzw. der Hohlraum 3 befindet sich bei dieser in Figur 7 und 8 dargestellten perspektivischen Ansicht auf der Rückseite des MEMS-Schallwandler 1 und ist demnach nicht einsehbar.
Gemäß dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membranstruktur 5 und/oder der hier nicht einsehbare Hohlraum 3 in der Draufsicht kreisförmig ausgebildet. Ferner ist in der perspektivischen Ansicht zu erkennen, dass die Aussparungen 24 - von denen zur Wahrung der Übersichtlichkeit lediglich eine mit einem Bezugszeichen versehen ist - ein Muster 28 ausbilden. Das Muster 28 wird durch die piezoelektrischen Aktivbereiche 25a, 25b, 25c, 25d und die piezoelektrischen Passivbereiche 26a, 26b, 26c, 26d, 26e ausgebildet.
Im Folgenden wird einer dieser Aktivbereiche 25a näher erläutert. Gemäß Figur 7 weist der Aktivbereich 25a ein mit dem Rahmen bzw. dem Trägersubstrat 2 verbundenes, starres und/oder fest eingespanntes erstes sowie zweites Ankerende 29, 30 auf. Des Weiteren umfasst der Aktivbereich 25a ein gegenüber den beiden Ankerenden 29, 30 in z-Richtung Auslenkbereiches freies Ende 31 auf. Im Bereich zwischen dem jeweiligen Ankerende 29, 30 und dem freien Ende 31 ist der Aktivbereich 25a zumindest bereichsweise im Wesentlichen mäanderförmig ausgebildet.
Demnach weist der Aktivbereich 25a vom jeweiligen Ankerende 29, 30 ausgehend einen jeweiligen ersten Auslenkabschnitt 32, einen jeweiligen zweiten Auslenkabschnitt 33 - wobei jeweils nur einer dieser beiden mit einem Bezugszeichen versehen ist - und einen gemeinsamen dritten Auslenkabschnitt 34 auf. Die Auslenkabschnitte 32, 33, 34 sind in den beiden in Figur 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen balkenförmig ausgebildet. Jeweils zwei zueinander benachbarte Auslenkabschnitte 32, 33, 34 sind jeweils mittels eines Umlenkabschnittes 35a, 35b miteinander verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel lenkt jeder der Umlenkabschnitt 35a, 35b die beiden zueinander benachbarten Auslenkabschnitte 32, 33, 34 zueinander um 180° um. Durch diese umgelenkte Verbindung dieser einzelnen Auslenkabschnitte 32, 33, 34, nämlich mittels der Umlenkabschnitt 35a, 35b, kann der maximale Hub des Aktivbereichs 25a in z-Richtung des MEMS-Schall- wandler 1 erhöht werden.
Gemäß dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die freien Enden 31 der Aktivbereiche 25a, 25b, 25c, 25d zueinander und zu einem in der Draufsicht mittig gelegenen Zentralpunkt 36 eine Abstand auf.
Figur 8 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des MEMS-Schallwandler 1 in perspektivische Ansicht wobei im Vergleich zu dem vorstehend in Figur 7 erläuterten Ausführungsbeispiel für gleiche Merkmale gleiche Bezeichnungen verwendet werden. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und Wirkweise den vorstehend bereits beschriebenen Merkmalen.
Im Unterschied zu dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membranstruktur 5 gemäß dem in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht kreisförmig sondern quadratisch ausgebildet. Des Weiteren liegen die freien Enden 31 der jeweilige Aktivbereiche 25a, 25b, 25c, 25d in dem Zentralpunkt 36 unmittelbar aneinander an. Zusätzlich oder alternativ können die freien Enden 31 aber auch miteinander verbunden und/oder einteilig miteinander ausgebildet sein.
Figur 9 zeigt einen Querschnitt durch einen Aktivbereich 25, insbesondere durch einen balkenförmigen Auslenkabschnitt 32, 33, 34 und/oder Umlenkabschnitt 35a, 35b eines des in Figur 7 und/oder 8 dargestellten Ausführungsbeispiele. Hierbei ist die zweite obere Elektrodenschicht 13 gegenüber der zweiten Piezoschicht 9 asymmetrisch angeordnet. Hierdurch tordiert der Aktivbereich 25 um seine Längsachse, wodurch die maximale Hubhöhe in z- Richtung des MEMS-Schallwandler 1 erhöht werden kann. Diese Torsion ist in Figur 9 mit einem Pfeil angedeutet. Zusätzlich oder alternativ können auch weitere oder alle Elektrodenschichten 10, 1 1 , 12, 1 3 gegenüber ihrer jeweils zugeordneten Piezoschicht 8, 9 asymmetrisch angeordnet sein.
Die MEMS-Schallwandler 1 können gemäß Figur 10 in einem Array 37 angeordnet sein. Gemäß dem in Figur 10 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen alle MEMS-Schallwandler 1 die gleiche Form und Größe auf. Ferner weist deren Aktivbereich 25 jeweils das gleiche Muster 28 auf. In einem hier nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel können diese arrayartig zueinander angeordneten MEMS-Schallwandler 1 aber auch unterschiedliche Größen zueinander aufweisen. Hierdurch können Hoch- und Tieftöner ausgebildet werden. Des Weiteren können die MEMS-Schallwandler 1 zueinander unterschiedliche Muster 28 und Membranstrukturformen aufweisen.
Gemäß dem in Figur 1 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der MEMS-Schallwandler 1 zumindest zwei, insbesondere getrennt voneinander ansteuerbare, Wandlerbereiche 38, 39 die Wandlerbereiche 38, 39 der einteiligen Membranstruktur 5 können zueinander unterschiedlich groß ausgebildet sein und/oder unterschiedliche Muster aufweisen. Um die Membranstruktur 5 vor Überbelastungen zu schützen, weist der MEMS-Schallwandler 1 im Innenraum des Rahmens bzw. des Trägersubstrats 2 zumindest ein Stützelement 40 auf. Das Stützelement 40 ist als Wand ausgebildet und teilt den Hohlraum 3 in einen ersten und zweiten Hohlraumbereich 41 , 42. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das Stützelement 40 mit seinem der Membranstruktur 5 zugewandten Stützelementende 43 in z- Richtung von dieser beabstandet sein. Alternativ ist es aber auch ebenso denkbar, dass das Stützelement 40 mit seinem Stützelementendet 43 unmittelbar, insbesondere lose, an der Unterseite der Membranstruktur 5 anliegt und/oder mit dieser fest verbunden ist.
In eine hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der in Figur 1 1 dargestellte MEMS-Schallwandler 1 , der mehrere Wandlerbereiche 38, 39 aufweist, auch arrayartig im Sinne des in Figur 10 dargestellten Ausführungs- beispiels mit weiteren identisch oder unterschiedlich ausgebildeten MEMS- Schallwandlern 1 angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezuqszeichenliste
MEMS-Schallwandler
Trägersubstrat
Hohlraum
erste Öffnung
Membranstruktur
zweite Öffnung
Randbereich
erste Piezoschicht
zweite Piezoschicht
erste untere Elektrodenschicht
erste obere Elektrodenschicht
zweite untere Elektrodenschicht
zweite obere Elektrodenschicht
Membranschicht
Isolierungsschicht
Passivierungsschicht
erste Grenzfläche
zweite Grenzfläche
Zwischenschicht
Kontaktvertiefungen
Anschlusselemente
Seitenwand
Grund
Aussparung
Aktivbereich
Passivbereich
Verstärkungsschicht
Muster
erstes Ankerende
zweites Ankerende
freies Ende
erster Auslenkabschnitt
zweiten Auslenkabschnitt
gemeinsamer Auslenkabschnitt
Umlenkabschnitt
Zentralpunkt
Array
erster Wandlerbereich
zweiter Wandlerbereich
Stützelement
erster Hohlraumbereich
zweiter Hohlraumbereich
Stützelementende

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . MEMS-Schallwandler zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit
einem Trägersubstrat (2),
einem in dem Trägersubstrat (2) ausgebildeten Hohlraum (3), der zumindest eine Öffnung (4) aufweist, und
einer mehrschichtigen piezoelektrischen Membranstruktur (5), welche die Öffnung (4) des Hohlraums (3) überspannt und in ihrem Randbereich mit dem Trägersubstrat (2) verbunden ist, so dass sie zur Erzeugung und/oder Erfassung von Schallenergie gegenüber dem Trägersubstrat (2) zu schwingen vermag,
wobei die Membranstruktur (5) zumindest bereichsweise im Querschnitt eine erste und eine zu dieser beabstandet angeordnete zweite Piezoschicht (8, 9) umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich zwischen den beiden Piezoschichten (8, 9) eine Zwischenschicht (19) angeordnet ist,
die derart ausgebildet ist, dass mittels ihr Schallenergie in Richtung zumindest einer an die Luft angrenzenden Grenzfläche (17, 18) der Membranstruktur (5) reflektierbar ist.
2. MEMS-Schallwandler nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (19) im Vergleich zu zumindest einer der beiden Piezoschichten (8, 9) eine geringere Dichte aufweist.
3. MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (19) aus Siliciumoxid, Siliciumnitrid und/oder Polysilicium hergestellt ist. MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Piezoschichten (8, 9) aus Blei-Zirkonat-Titanat und/oder Aluminiumnitrid hergestellt ist.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Piezoschichten (8, 9) jeweils zwischen einer unteren und einer oberen Elektrodenschicht (10, 12; 1 1 , 13) eingebettet sind,
dass die Zwischenschicht (19) unmittelbar an der oberen Elektrodenschicht (1 1 ) der ersten Piezoschicht (8) und an der unteren Elektrodenschicht (12) der zweiten Piezoschicht (9) anliegt und/oder dass die Zwischenschicht (19) dielektrisch ausgebildet ist.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (5) eine Membranschicht (14), insbesondere aus Polysilicium, aufweist, die vorzugsweise im Bereich unterhalb der ersten Piezoschicht (8) oder im Bereich oberhalb der zweiten Piezoschicht (9) angeordnet ist.
MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (5), insbesondere im Innenraum des als Rahmen ausgebildeten Trägersubstrats (2) und/oder auf ihrer dem Trägersubstrat (2) abgewandten Seite, zumindest eine Aussparung (24) aufweist, in deren Bereich zumindest die beiden Piezoschichten (8, 9) abgetragen sind, so dass die Membranstruktur (5) in der Draufsicht zumindest einen piezoelektrischen Aktivbereich (25) und zumindest einen durch die Aussparung (24) ausgebildeten Passivbereich (26) aufweist, die vorzugsweise zueinander ein Muster (28) ausbilden.
8. MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (24) derart ausgebildet ist, dass der piezoelektrische Aktivbereich (25) in der Draufsicht zumindest ein mit dem Rahmen verbundenes Ankerende (29, 30) und zumindest ein gegenüber diesem in z-Richtung schwingbares freies Ende (31 ) aufweist.
9. MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivbereich (25) in der Draufsicht zumindest einen, insbesondere balkenförmigen, Auslenkabschnitt (32, 33, 34) aufweist und/oder
dass in dessen Querschnittsansicht bei zumindest einer seiner beiden Piezoschichten (8, 9) zumindest eine der beiden Elektrodenschichten (10, 1 1 , 12, 13) gegenüber der damit korrespondierenden Piezo- schicht (8, 9) asymmetrisch angeordnet ist.
10. MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivbereich (25) in der Draufsicht zumindest einen ersten Auslenkabschnitt (32), einen zweiten Auslenkabschnitt (33) und/oder einen zwischen diesen beiden ausgebildeten Umlenkabschnitt (35) aufweist.
1 1 . MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (5) in der Draufsicht mehrere, insbesondere getrennt voneinander ansteuerbare, Wandlerbereiche (38, 39) aufweist, die vorzugsweise unterschiedlich groß ausgebildet sind und/oder unterschiedliche Muster (28) aufweisen.
12. MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) in der Draufsicht zumindest ein im Innenraum des Rahmens ausgebildetes Stützelement (40) aufweist, das zur Stützung der Membranstruktur (5) vorzugsweise zwischen zwei Wandlerbereichen (38, 39) angeordnet ist.
13. MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (40) mit seinem der Membranstruktur (5) zugewandten Stützelementende (43) mit der Membranstruktur (5) verbunden ist, lose an dieser anliegt oder in z-Richtung von dieser beanstandet ist.
14. MEMS-Schallwandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (40) als Wand ausgebildet ist und den Hohlraum (3) in zumindest zwei Hohlraumbereiche (41 , 42) unterteilt.
15. Chip, insbesondere Silicium-Chip, zum Erzeugen und/oder Erfassen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit mehreren ar- rayartig zueinander angeordneten und/oder getrennt voneinander ansteuerbaren MEMS-Schallwandlern (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der MEMS-Schallwandler (1 ) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.
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