WO2018011048A1 - Detektionseinrichtung für piezoelektrisches mikrofon - Google Patents

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WO2018011048A1
WO2018011048A1 PCT/EP2017/066912 EP2017066912W WO2018011048A1 WO 2018011048 A1 WO2018011048 A1 WO 2018011048A1 EP 2017066912 W EP2017066912 W EP 2017066912W WO 2018011048 A1 WO2018011048 A1 WO 2018011048A1
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WO
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layers
piezoelectric
detection device
layer
substrate
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/066912
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Buck
Kerrin Doessel
Fabian Purkl
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the invention relates to a detection device for a piezoelectric microphone.
  • the invention further relates to a method for producing a detection device for a piezoelectric microphone.
  • MEMS microphones are in principle extremely sensitive pressure sensors that
  • a leak path provides static pressure equalization between volumes in front of and behind the microphones. They consist of at least one freestanding structure which is exposed to the environment and which moves according to an acting sound pressure. So far most microphones used in consumer applications are capacitive MEMS microphones. For these devices, movement of a membrane is detected by measuring a capacitance between the membrane and a perforated counter electrode positioned in front of or behind the membrane.
  • An alternative known basic principle allowing the detection of the movement of the freestanding structure is based on the direct piezoelectric effect.
  • the bending of a structure affects a piezoelectric layer, whereupon an electrical charge is generated on its surface. This charge can be detected and evaluated as an electrical output voltage.
  • acoustic leak path is implemented between the back volume of the microphone and an environment to eliminate the effects of slow ambient pressure changes compared to acoustic sound, for which purpose the structure typically includes one or more holes or slots. which allow pressure equalization between a volume in front of and behind the membrane.
  • leak holes may be represented as resistors in an equivalent electrical circuit, while the volume behind the diaphragm may be represented by a capacitance.
  • R x C defines a time constant of the sensor element that represents the lower range of the sensitive frequency range of the microphone. It is crucial that this frequency is kept to a minimum during a manufacturing process with the lowest possible tolerances
  • Detection device for a piezoelectric microphone ready to provide.
  • a detection device for a piezoelectric microphone comprising:
  • a boom having at least three layers arranged on top of each other, wherein at least one of the layers is a piezoelectric layer; wherein an electrode layer is arranged on both surfaces of the at least one piezoelectric layer;
  • a layer stress of the layers is such that a free end of the
  • the object is achieved with a method for producing a detection device for a piezoelectric microphone, comprising the steps:
  • the cantilever is formed such that a free end of the cantilever due to layer stress of Layers defined in relation to a horizontal position of the cantilever are aligned in a cavity formed below the cantilever.
  • Preferred embodiments of the detection device are the subject of dependent claims.
  • An advantageous development of the detection direction is characterized in that two piezoelectric layers are arranged between three electrode layers. In this way, a particularly high signal level for the piezoelectric microphone can be generated by means of the detection device.
  • a further advantageous development of the detection device is characterized in that one of the electrode layers is a non-piezoelectric layer with defined mechanical properties. This is one
  • a further advantageous development of the detection device provides that the boom is inclined in relation to a horizontal position by about 1 ⁇ to about 10 ⁇ , preferably by about 3 ⁇ to about 6 ⁇ down. In this way, a favorable amount of downward orientation of the cantilever is provided, whereby an acoustic leak path for the piezoelectric microphone can be kept small. A detection quality of the piezoelectric microphone is very easy to reproduce in this way.
  • An advantageous development of the method provides that the boom is aligned in relation to an edge of the substrate defined. As a result, an exact dimensioning of the acoustic leak path of the piezoelectric microphone can be realized.
  • a further advantageous development of the method provides that the substrate for the formation of the edge is etched coming from above the substrate.
  • the substrate for the formation of the edge is etched coming from above the substrate.
  • an arrangement of a substrate edge relative to the cantilever can be defined very precisely.
  • a precise design of the acoustic leak path of the piezoelectric microphone is possible.
  • a further advantageous development of the method provides that a hole is filled with liquid filling material. As a result, advantageously a planarization step can be saved, whereby an efficient production of the detection device is supported.
  • the layer stress of the layers is set by at least one of the following parameters: pressure during a deposition process of the layers, temperature during the deposition process of the layers, electrical
  • a further advantageous development of the method provides that openings in the substrate by means of reactive ion etching or by wet-chemical etching be generated. In this way, proven techniques are used to etch the substrate at a high etch rate.
  • Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of a conventional piezoelectric
  • Fig. 3 is a perspective view of a conventional
  • Fig. 4 is a perspective view of another conventional
  • Fig. 5 is a cross-sectional view of a conventional
  • Detection device 6 and 7 are cross-sectional views through an embodiment of a detection device according to the invention.
  • FIG. 8 shows a flow of a manufacturing method for manufacturing a piezoelectric detection device for a piezoelectric
  • Fig. 10 shows a further variant of a manufacturing process for
  • Fig. 1 is a schematic representation of a block diagram of a
  • a basic idea of the invention is to design a cantilever of a detection device for a piezoelectric microphone in such a way that, after a manufacturing process, it is inclined towards a horizontal position downwards towards a substrate. In this way, an acoustic leak path can be kept as low as possible, which significantly improves detection characteristics (e.g., a frequency response) for the piezoelectric microphone.
  • FIG. 1 shows a cross section through a detection device 100 of a conventional capacitive MEMS microphone (micro-electro-mechanical system). A movement / deflection of a membrane 10 is by a
  • Fig. 2 shows a cross-section through a detection device 100 of a conventional piezoelectric microphone, which solves the above drawback by inserting a sensor element in the membrane. This allows a potentially larger dynamic range and thus removes one
  • the basic principle here is the use of a piezoelectric material for layers 40, for example aluminum nitride (AIN) or lead zirconate titanate (PZT) or another suitable material which generates an electrical charge and as a result an electric voltage on it
  • AIN aluminum nitride
  • PZT lead zirconate titanate
  • Detector layers 50 are detected.
  • FIG. 3 shows an acoustic leak path of a detection device 100 that results from a deformation due to intrinsic stress gradients. It can be seen that two piezoelectric layers 40 are aligned with each other and bulge, whereby on the left side of an enlarged acoustic leakage path in the form of a gap of the detection device 100 is formed.
  • Fig. 4 shows a known principle for minimizing such an acoustic leak path.
  • triangular-shaped layers 40 are aligned with each other, whereby a similar bowing is generated, resulting in a somewhat reduced acoustic leak path.
  • the mean stress level of the layers during deposition may be affected.
  • the layer stress may be due to specific
  • Parameters are influenced during the deposition process, such as pressure, electrical voltage between the target and substrate (bias power) and temperature.
  • the effect can be reduced to some extent by residual stress by deposition of additional layers with an opposite level of stress.
  • the above principles can only compensate for the layer stress to a certain extent and in particular can not be used to reduce the variation of stress levels between different devices.
  • 5 shows the problem of the enlarged acoustic leak path.
  • a detection device 100 for a piezoelectric microphone (not shown) with a layer stack or cantilever with two layers 40, 41 arranged on top of each other, which both represent piezoelectric layers, can be seen.
  • the layer stack is fixed by means of a fixing device 60, wherein in each case one electrode 50 is arranged on, under and between the layers 40, 41 in order to detect and dissipate electrical charges in the form of an electric current or to measure an electrical voltage. Indicated are by means of arrows in the two layers 40, 41 acting tensile and compressive forces generated by corresponding stress gradients due to a deposition process of the layers 40, 41. Due to the stress gradient, it can be seen the layer stack still bends up, which undesirably increases the acoustic leak path and can significantly reduce performance of the piezoelectric microphone.
  • Deflection of the free-standing structure results in the direction of the substrate and in a cavity that was previously formed in the substrate.
  • Deposition of the structural layers can be generated by a front etching process to reduce manufacturing tolerances between the location and size of the cavity and the positioning of the freestanding structure.
  • FIGS. 6 and 7 show such a deflection of the boom.
  • the detection devices 100 of FIGS. 6 and 7 comprise two piezoelectric layers 40, 41, wherein each of the two piezoelectric layers 40, 41 is arranged in each case between two electrode layers 50.
  • FIG. 7 shows a maximum deflection due to a maximum layer stress gradient in the layer stack 40, 41.
  • a degree of deflection relative to the horizontal position that is not reproducibly realizable after taking into account all tolerances about 1 ⁇ to about 10 ⁇ , preferably about 3 ⁇ to about ⁇ , the deflection due to known parameters in per se known manufacturing methods until can be adjusted to a certain extent.
  • the average deflection is preferably adjusted such that, taking into account the known fluctuations of the deflection for detection devices with minimal deflection, the cantilever is still arched from the horizontal position to the substrate. In this case, for example, appropriate data from already implemented manufacturing processes can be used.
  • Visible are three electrode layers 50, wherein the central electrode layer 50 a
  • Electrode layer for the upper piezoelectric layer 41 and for the lower piezoelectric layer 40 represents.
  • the boom is defined aligned on an edge K of the substrate 1 or in a disposed below the boom cavity, wherein in the operation of the detection device 200, when the boom is moved by sound pressure, a gap between the edge K and the boom is kept small, so that an acoustic leak path is minimized in this way.
  • the edge K is directed in or out of the sheet plane of FIG. 6 and formed orthogonal to the deflection direction of the cantilever and can be considered as a formed on the surface of the substrate 1 boundary edge of the substrate 1 and formed in a substrate 1 cavity or recess become. This can be justified by the fact that a lateral distance of the cantilever to the substrate 1 is minimal and thus the acoustic leak path can be minimized.
  • a change in the acoustic leak path during a movement of the boom in the operation of the piezoelectric microphone is advantageously minimized in this way.
  • a resulting layer stress of the layers 40, 41, 50 can be set by at least one of the following parameters prevailing during a deposition process: pressure, temperature, electrical voltage between the deposition source and the substrate. Furthermore, the resulting layer stress of the layers 40, 41, 50 may be determined by a material selection of the layers 40, 41, 50 and
  • Layer thicknesses of the layers 40, 41, 50 are set after the deposition process.
  • the aim is to increase the effective stress gradient along the layer thickness over all layers in the direction of the substrate (higher tensile stress). This can be achieved, for example, in that a compressive stress in the upper layer 41 is higher than a tensile stress in Alternatively, in one of the layers 40, 41, a higher stress level may be implemented with the same sign than in the other of the layers 40, 41.
  • a variant of the detection device 100 not shown in FIGS. Has a total of only three layers, wherein a piezoelectric layer 40, 41 is arranged between the two electrode layers 50.
  • a piezoelectric layer 40, 41 upon deflection, only one sign of mechanical stress should occur (i.e., either only tension or only pressure).
  • either the electrode layer 50 or a non-piezoelectric layer may be used (not shown).
  • FIG. 8 shows a highly simplified production process of the detection device 100 according to the invention.
  • a substrate 1 (preferably silicon) is provided, on which subsequently an oxide layer 2 is deposited, for example in the form of Si0 2 .
  • a stack of two layers 40, 41 is placed on top of each other
  • both layers 40, 41 have piezoelectric properties.
  • an electrically conductive layer is deposited as an electrode
  • an opening is introduced into the lower oxide layer 2 at an underside of the lower oxide layer 2 by means of an etching step.
  • etching step instead of the oxide layer, other masking layers, such as, for example, polymers or metals, are also conceivable.
  • a cavity is introduced into the substrate 1 by means of a rear etching step, which extends to the oxide layer 2 below the layer stack with the layers 40, 41.
  • the oxide layer 2 is removed except for a portion which serves as a base for the cantilever, so that, as a result, the layer stack 40, 41 is aligned with respect to the edge K of the substrate 1, with a resulting Orientation of the boom in Fig. 8e is shown in broken lines downwards curved. The horizontal shown
  • FIG. 9 schematically shows a further variant of a production process of the proposed detection device 100.
  • FIG. 9a shows a structuring of an etching mask for front etching, for example by means of a structuring of the upper oxide layer 2 by means of a photoresist.
  • Fig. 9b shows a partial etch through the hole from the front, preferably by reactive ion etching (DRIE) or reactive ion etching (RIE). Due to the achievable with this Front architectural innovation, a partial etch through the hole from the front, preferably by reactive ion etching (DRIE) or reactive ion etching (RIE). Due to the achievable with this Front architectural innovation, a partial etch through the hole from the front, preferably by reactive ion etching (DRIE) or reactive ion etching (RIE). Due to the achievable with this Front structuranier, RIE.
  • Fig. 9c shows a filling of the trench generated therefrom with a
  • Sacrificial material e.g., spin on glass, polymer, etc.
  • Sacrificial material e.g., spin on glass, polymer, etc.
  • planarization step is advantageously eliminated when liquid material is filled into the trench.
  • FIG. 9d shows a deposition and structuring of a piezoelectric layer stack with the layers 40, 41. As with the process explained with reference to FIG. 8, electrode layers are also deposited here, which are not shown.
  • FIG. 9e shows a structuring of an etching mask of the lower oxide layer 2 from the rear side.
  • Figure 9f shows etching of the substrate 1 from the backside, preferably by reactive ion etching or wet chemical anisotropic etching (e.g., by KOH).
  • the angle formed in this etching step has no relevance for the positioning of the upper-side edge K of the substrate 1, since this has already been defined with the preceding front-side etching step.
  • the cantilever with the layers 40, 41 is freed by gas phase etching or wet etching of the sacrificial layer.
  • the edge K of the substrate 1 is designed to be defined relative to the freestanding front side of the layer stack 40, 41, with a resulting
  • Alignment or curvature of the layer stack is drawn by dashed lines.
  • the horizontal position of the jib is an ideal case that can not be reproduced in terms of process technology.
  • Etching steps forming the through-hole and the remaining edges below the cantilever can ensure functions such as over-travel-stop in this process flow. This stop can prevent breakage of the boom if the sound pressure or vibrations are too high and the resulting deflections.
  • FIG 10 schematically shows an alternative process flow for producing an embodiment of the proposed detection device 100.
  • 10a shows a patterning of an etching mask for front etching, for example by means of structuring of the upper oxide layer 2 by means of a photoresist.
  • Fig. 10b shows an etching of trench from the front, preferably by reactive ion etching or by reactive ion etching.
  • Fig. 10c shows, in principle, a disintegration of the trenches with ⁇ tzstopmaterial (eg S1O2, SiN) and, if necessary, a subsequent planarization.
  • ⁇ tzstopmaterial eg S1O2, SiN
  • FIG. 10d shows the result of a deposition and structuring process of a preferably piezoelectric layer stack 40, 41. The additionally required electrode layers are not shown.
  • 10e shows a structured etching mask for backside etching, preferably for structuring the lower oxide layer 2 by means of a photoresist.
  • 10f shows the result of a partial etching of holes in the lower oxide layer 2 with an anisotropic etching process, for example in the form of reactive ion etching.
  • 10g shows the result of a subsequent isotropic etching step to remove remaining substrate material under the cantilever, wherein the etching step stops on the oxide layer 2 functioning as an etch stop layer.
  • Fig. 10h shows the completed detection device 100 in which the cantilever with the layers 40, 41 is exposed by gas phase or wet etching of the sacrificial oxide layer.
  • FIG. 1 1 schematically shows a piezoelectric microphone 200 with a proposed detection device 100.
  • FIG. 12 shows a basic sequence of an embodiment of the method according to the invention for producing a detection device 100 according to the invention.
  • a substrate 1 is provided.
  • a cantilever is formed from at least three layers 40, 50 which are arranged on the substrate 1 and at least one of the layers 40, 50 is a piezoelectric layer 40, wherein an electrode layer 50 is disposed on both surfaces of the at least one piezoelectric layer 40, the cantilever being formed such that a free end of the cantilever is defined by a layer stress of the layers 40, 50 relative to a horizontal position of the cantilever Jib trained cavity is aligned.
  • the present invention proposes a detection device for a piezoelectric microphone and a method for producing a detection device for a piezoelectric microphone, with which advantageously an acoustic leak path in the piezoelectric microphone can be minimized.

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Abstract

Detektionseinrichtung (100) für ein piezoelektrisches Mikrofon (200), aufweisend: - einen Ausleger mit wenigstens drei aufeinander angeordneten Schichten (40, 50), wobei wenigstens eine der Schichten (40) eine piezoelektrische Schicht ist; - wobei auf beiden Oberfläche der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht (40) jeweils eine Elektrodenschicht (50) angeordnet ist; - wobei ein Schichtstress der Schichten (40, 50) derart ist, dass ein freies Ende des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.

Description

Beschreibung Titel
Detektionseinrichtung für piezoelektrisches Mikrofon
Die Erfindung betrifft eine Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon.
Stand der Technik
MEMS-Mikrofone sind im Prinzip extrem sensitive Drucksensoren, die
Schalldruck in ein elektrisches Signal wandeln, während ein Leckpfad für einen statischen Druckausgleich zwischen Volumina vor und hinter den Mikrofonen sorgt. Sie bestehen aus wenigstens einer freistehenden Struktur, die zur Umgebung exponiert ist und die sich entsprechend einem einwirkenden Schalldruck bewegt. Bisher sind die meisten in Consumer-Applikationen verwendeten Mikrofone kapazitive MEMS-Mikrofone. Für diese Einrichtungen wird eine Bewegung einer Membran durch eine Messung einer Kapazität zwischen der Membran und einer perforierten Gegenelektrode, die vor oder hinter der Membran positioniert ist, erfasst.
Ein alternatives bekanntes Grundprinzip, welches die Detektion der Bewegung der freistehenden Struktur erlaubt, basiert auf dem direkten piezoelektrischen Effekt. In einem derartigen Mikrofon wird durch das Durchbiegen einer Struktur eine piezoelektrische Schicht beeinflusst, woraufhin auf ihrer Oberfläche eine elektrische Ladung entsteht. Diese Ladung kann als eine elektrische Ausgangsspannung erfasst und ausgewertet werden.
In der Vergangenheit waren derartige Mikrofone allerdings wenig sensitiv, was sie für Consumer-Applikationen unbrauchbar machte. Neuerdings zeigen Designs jedoch bedeutsame Verbesserungen auf diesem Gebiet, die in piezoelektrischen Mikrofonen mit brauchbarem Sensitivitätsbereich resultieren. Für jede Art von Mikrofon wird ein sogenannter„akustischer Leckpfad" zwischen dem Rückvolumen des Mikrofons und einer Umgebung implementiert, um Einflüsse von im Vergleich zu akustischem Schall langsamen Umgebungsdruckänderungen zu eliminieren. Zu diesem Zweck enthält die Struktur typischerweise ein oder mehrere Löcher bzw. Schlitze, welche zwischen einem Volumen vor und hinter der Membran einen Druckausgleich erlauben.
Diese Lecklöcher (oder Schlitze) können in einem elektrischen Ersatzschaltbild als Widerstände dargestellt werden, während das Volumen hinter der Membran durch eine Kapazität dargestellt werden kann. Ein Produkt dieser beiden
Elemente (R x C) definiert eine Zeitkonstante des Sensorelements, die den unteren Bereich des sensitiven Frequenzbereichs des Mikrofons repräsentiert. Es ist entscheidend, dass diese Frequenz während eines Herstellungsprozesses mit möglichst geringen Toleranzen gehalten wird, um eine bestmögliche
Leistungsfähigkeit und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon bereit zu stellen.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Detektions- einrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon, aufweisend:
einen Ausleger mit wenigstens drei aufeinander angeordneten Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten eine piezoelektrische Schicht ist; wobei auf beiden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht jeweils eine Elektrodenschicht angeordnet ist;
- wobei ein Schichtstress der Schichten derart ist, dass ein freies Ende des
Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.
Auf diese Weise kann vorteilhaft erreicht werden, dass ein akustischer Leckpfad und eine Änderung desselben deutlich geringer ausfällt, weil sich der Ausleger auf das Substrat zuneigt. Eine Ermittlungsgenauigkeit des piezoelektrischen Mikrofons kann auf diese Weise vorteilhaft bedeutend erhöht sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats;
Ausbilden eines Auslegers aus wenigstens drei aufeinander
angeordneten, auf dem Substrat aufgebrachten Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten eine piezoelektrische Schicht ist, wobei auf beiden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht jeweils eine Elektrodenschicht angeordnet wird, wobei der Ausleger derart ausgebildet wird, dass ein freies Ende des Auslegers aufgrund von Schichtstress der Schichten in Relation zu einer Horizontallage des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Detektionseinrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Detektionsrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen drei Elektrodenschichten zwei piezoelektrische Schichten angeordnet sind. Auf diese Weise kann mittels der Detektionseinrichtung ein besonders hoher Signalpegel für das piezoelektrische Mikrofon generiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine der Elektrodenschichten eine nicht-piezoelektrische Schicht mit definierten mechanischen Eigenschaften ist. Dadurch ist eine
Designvielfalt für die Detektionseinrichtung vorteilhaft erhöht. Mittels der nichtpiezoelektrischen Schicht kann eine neutrale Faser aus der piezoelektrischen Schicht gewissermaßen„herausgeschoben" werden. Die definierten
Eigenschaften der nicht-piezoelektrischen Schicht sind derart, dass bei
Auslenkung des Schichtstapels als Folge von Schalleinwirkung ein elektrisches Signal erzeugt wird. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung sieht vor, dass der Ausleger in Relation zu einer Horizontallage um ca. 1 μηη bis ca. 10μηη, vorzugsweise um ca. 3μηι bis ca. 6μηι nach unten geneigt ist. Auf diese Weise wird ein günstiges Ausmaß einer Ausrichtung des Auslegers nach unten bereitgestellt, wodurch ein akustischer Leckpfad für das piezoelektrische Mikrofon klein gehalten werden kann. Eine Detektionsgüte des piezoelektrischen Mikrofons ist auf diese Weise sehr gut reproduzierbar.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Ausleger in Relation zu einer Kante des Substrats definiert ausgerichtet wird. Dadurch kann eine exakte Dimensionierung des akustischen Leckpfads des piezoelektrischen Mikrofons realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Substrat zur Ausbildung der Kante von oberhalb des Substrats kommend geätzt wird. Auf diese Weise kann zum Beispiel mittels eines bewährten Ätzschritts eine Anordnung einer Substratkante relativ zum Ausleger sehr genau definiert werden. Im Ergebnis ist dadurch eine präzise Ausgestaltung des akustischen Leckpfads des piezoelektrischen Mikrofons möglich.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Loch mit flüssigem Füllmaterial verfüllt wird. Dadurch kann vorteilhaft ein Planarisierungsschritt eingespart werden, wodurch eine effiziente Fertigung der Detektionseinrichtung unterstützt ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Schichtstress der Schichten durch wenigstens einen der folgenden Parameter eingestellt wird: Druck während eines Abscheidevorgangs der Schichten, Temperatur während des Abscheidevorgangs der Schichten, elektrische
Spannung zwischen Abscheidequelle und Substrat während des
Abscheidevorgangs der Schichten, Materialauswahl der Schichten,
Schichtdicken der Schichten nach erfolgtem Abscheidevorgang.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass Öffnungen im Substrat mittels reaktivem lonentiefätzen oder mittels nasschemischem Ätzen erzeugt werden. Auf diese Weise werden bewährte Verfahren verwendet, mit denen das Substrat mit einer hohen Ätzrate definiert geätzt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet
insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zur Herstellung der Detektionseinrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen der Detektionseinrichtung ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein herkömmliches kapazitives MEMS-
Mikrofon;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen
Mikrofons;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen
Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren herkömmlichen
Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen
Detektionseinrichtung; Fig. 6 und 7 Querschnittsansichten durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung;
Fig. 8 einen Ablauf eines Herstellungsverfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches
Mikrofon;
Fig. 9 eine Variante eines Verfahrens zum Herstellen einer
Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon;
Fig. 10 eine weitere Variante einer Herstellungsprozesses zum
Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon;
Fig .1 1 eine prinzipielle Darstellung eines Blockschaltbild eines
piezoelektrisches Mikrofons mit einer vorgeschlagenen
Detektionseinrichtung; und
Fig. 12 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer
Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen Ausleger (engl, cantilever) einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon derart auszubilden, dass er nach einem Herstellungsprozess gegenüber einer Horizontallage definiert nach unten auf ein Substrat zu geneigt ist. Auf diese Weise kann ein akustischer Leckpfad möglichst vorteilhaft gering gehalten werden, wodurch Detektionseigenschaften (z.B. ein Frequenzgang) für das piezoelektrische Mikrofon bedeutsam verbessert sind.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Detektionseinrichtung 100 eines herkömmlichen kapazitiven MEMS-Mikrofons (engl, micro-electro-mechanical System). Eine Bewegung/Auslenkung einer Membran 10 wird durch eine
Änderung einer Kapazität zwischen der Membran 10 und einer perforierten Rückplatte 20 mit Perforationen 21 erfasst. Ein Hauptnachteil dieses Ansatzes, der für alle kapazitiven MEMS-Mikrofone gilt, ist das Erfordernis einer zweiten Elektrode in Form der Rückplatte 20. Dies begrenzt die Bewegung der Membran 10 und dadurch den Dynamikbereich des Mikrofons und generiert auch ein Zusatzrauschen aufgrund eines Luftwiderstands zwischen der Membran 10 und der Rückplatte 20. Ein akustischer Leckpfad 30 ist vorgesehen, um einen statischen Druckausgleich zu ermöglichen.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Detektionseinrichtung 100 eines herkömmlichen piezoelektrischen Mikrofons, die den oben genannten Nachteil durch Einfügung eines Sensorelements in die Membran löst. Dies erlaubt einen potenziell größeren Dynamikbereich und entfernt auf diese Weise eine
Rauschquelle, was potenziell in einer Konzeption von leistungsfähigeren
Mikrofonen resultiert.
Das Grundprinzip ist dabei eine Verwendung eines piezoelektrischen Materials für Schichten 40, zum Beispiel Aluminiumnitrid (AIN) oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder eines anderen geeigneten Materials, welches eine elektrische Ladung erzeugt und daraus resultierend eine elektrische Spannung auf seiner
Oberfläche, wenn es einer mechanischen Druck- bzw. Zugspannung ausgesetzt ist. Erzeugte elektrische Ladungen in den Schichten 40 können mittels
Detektorschichten 50 (zum Beispiel in Form von Molybdän) erfasst werden.
Ein gemeinsames Problem aller piezoelektrischen Mikrofone sind intrinsische Stressgradienten, die in den piezoelektrischen Schichten nach dem
Abscheideprozess vorhanden sind, die sich in aus der Ebene gerichteten (engl, out-of-plane) Auslenkungen der Sensierstrukturen manifestieren. Diese
Auslenkungen erzeugen einen großen akustischen Leckpfad zwischen den einzelnen Sensierelementen oder zwischen einem Sensierelement und der Öffnung im Substrat. Dieser Leckpfad vermindert die Leistungsfähigkeit und den Frequenzgang des Mikrofons. Zusätzlich kann die Höhe des Stressgradienten typischerweise über den Wafer und zwischen Wafern während der Herstellung variieren, was sich in einer teilweise Undefinierten Leistungsfähigkeit der Mikrofone auswirkt. Fig. 3 zeigt einen akustischen Leckpfad einer Detektionseinrichtung 100, der aus einer Deformation aufgrund von intrinsischen Stressgradienten resultiert. Man erkennt, dass zwei piezoelektrische Schichten 40 gegeneinander ausgerichtet sind und sich aufwölben, wodurch an der linken Seite ein vergrößerter akustischer Leckpfad in Form eines Spalts der Detektionseinrichtung 100 entsteht.
Fig. 4 zeigt ein bekanntes Prinzip zur Minimierung eines derartigen akustischen Leckpfads. In diesem Fall werden dreieckförmig ausgebildete Schichten 40 aufeinander zugerichtet, wodurch eine gleichartige Verbiegung bzw. Aufwölbung generiert wird, was einen etwas verringerten akustischen Leckpfad zur Folge hat.
Typischerweise kann der Mittelwert des Stressgrads der Schichten während der Abscheidung beeinflusst werden. Zum Beispiel kann der Schichtstress im Falle, dass die Schichten mittels Sputterings abgeschieden werden, durch spezifische
Parameter während des Abscheideprozesses beeinflusst werden, wie zum Beispiel Druck, elektrische Spannung zwischen Target und Substrat (engl, bias power) und Temperatur. Zusätzlich kann der Effekt bis zu einem gewissen Ausmaß von Reststress durch eine Abscheidung von zusätzlichen Schichten mit einem entgegengesetzten Stresspegel reduziert werden. Allerdings können die genannten Prinzipien den Schichtstress nur bis zu einem gewissen Grad kompensieren und können insbesondere nicht genutzt werden, um die Variation der Stresspegel zwischen verschiedenen Einrichtungen zu reduzieren. Fig. 5 zeigt die Problematik des vergrößerten akustischen Leckpfads. Erkennbar ist eine Detektionseinrichtung 100 für ein piezoelektrisches Mikrofon (nicht dargestellt) mit einem Schichtstapel bzw. Ausleger mit zwei aufeinander angeordneten Schichten 40, 41 , die beide piezoelektrische Schichten darstellen. Der Schichtstapel ist mittels einer Fixiereinrichtung 60 fixiert, wobei jeweils eine Elektrode 50 auf, unter und zwischen den Schichten 40, 41 angeordnet ist, um elektrische Ladungen in Form eines elektrischen Stromes zu erfassen und abzuleiten bzw. eine elektrische Spannung zu messen. Angedeutet sind mittels Pfeilen in den beiden Schichten 40, 41 wirkende Zug- und Druckkräfte, die durch entsprechende Stressgradienten aufgrund eines Abscheideprozesses der Schichten 40, 41 erzeugt werden. Aufgrund des Stressgradienten ist erkennbar, dass sich der Schichtstapel noch oben biegt, was den akustischen Leckpfad unerwünschter Weise vergrößert und eine Leistungsfähigkeit des piezoelektrischen Mikrofons bedeutsam vermindern kann.
Vorgeschlagen werden eine Detektionsvorrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Detektionsvorrichtung, um sowohl den akustischen Leckpfad als auch eine Variation dieses Leckpfads, der von intrinsischen Stressgradienten erzeugt wird, zu verkleinern.
Zu diesem Zweck erfolgt eine definierte Einstellung des Stressgradienten im strukturellen Schichtstapel, der in einer definiert nach unten gerichteten
Auslenkung der freistehenden Struktur in Richtung auf das Substrat hin resultiert und in eine Kavität zeigt, die zuvor im Substrat ausgebildet wurde.
Vorteilhaft und optional kann die genannte Kavität im Substrat vor der
Abscheidung der strukturellen Schichten durch einen vorderseitigen Ätzprozess erzeugt werden, um Herstellungstoleranzen zwischen dem Ort und der Größe der Kavität und der Positionierung der freistehenden Struktur zu reduzieren.
Dabei ist vorgesehen, während des Abscheideprozesses den Schichtstress derart einzustellen, dass im Ergebnis der Schichtstapel stets leicht nach unten gewölbt ausgerichtet ist.
Die Figuren 6 und 7 zeigen eine derartige Auslenkung des Auslegers. Die Detektionseinrichtungen 100 von Fig. 6 und Fig. 7 umfassen zwei piezoelektrische Schichten 40, 41 , wobei jede der beiden piezoelektrischen Schichten 40, 41 jeweils zwischen zwei Elektrodenschichten 50 angeordnet ist.
In Fig. 6 ist eine minimale Auslenkung des Auslegers aufgrund eines minimalen Schichtstressgradienten erkennbar, in Fig. 7 eine maximale Auslenkung aufgrund eines maximalen Schichtstressgradienten im Schichtstapel 40, 41. Vorzugsweise beträgt ein Ausmaß der Auslenkung gegenüber der prozesstechnisch nach Einbeziehung aller Toleranzen nicht wiederholbar realisierbaren Horizontallage ca. 1 μητι bis ca. 10 μηη, vorzugsweise ca. 3μηι bis ca. θμηι, wobei die Auslenkung aufgrund von bekannten Parametern in an sich bekannten Herstellverfahren bis zu einem gewissen Grad eingestellt werden kann. Die mittlere Auslenkung wird vorzugsweise so eingestellt, dass unter Berücksichtigung der bekannten Schwankungen der Auslenkung für Detektionseinrichtungen mit minimaler Auslenkung der Ausleger noch immer aus der Horizontallage zum Substrat gewölbt ist. Dabei können beispielsweise entsprechende Daten aus bereits realisierten Herstellprozessen herangezogen werden. Erkennbar sind drei Elektrodenschichten 50, wobei die mittlere Elektrodenschicht 50 eine
Elektrodenschicht für die obere piezoelektrische Schicht 41 und für die untere piezoelektrische Schicht 40 darstellt.
Man erkennt, dass der Ausleger definiert auf eine Kante K des Substrats 1 hin ausgerichtet bzw. in eine unterhalb des Auslegers angeordnete Kavität ausgerichtet ist, wobei im Betrieb der Detektionseinrichtung 200, wenn der Ausleger durch Schalldruck bewegt wird, ein Spalt zwischen der Kante K und dem Ausleger klein gehalten ist, sodass ein akustischer Leckpfad auf diese Art und Weise minimiert ist. Die Kante K ist dabei in bzw. aus der Blattebene von Fig. 6 gerichtet und orthogonal zur Auslenkungsrichtung des Auslegers ausgebildet und kann als eine an der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildete Begrenzungskante des Substrats 1 bzw. einer im Substrat 1 ausgebildeten Kavität bzw. Ausnehmung angesehen werden. Dies lässt sich dadurch begründen, dass ein lateraler Abstand des Auslegers zum Substrat 1 minimal ist und dadurch der akustische Leckpfad minimal gehalten werden kann. Auch eine Änderung des akustischen Leckpfads bei einer Bewegung des Auslegers im Betrieb des piezoelektrischen Mikrofons ist auf diese Weise vorteilhaft minimiert.
Ein resultierender Schichtstress der Schichten 40, 41 , 50 kann durch wenigstens einen der folgenden, während eines Abscheidevorgangs herrschenden Parameter eingestellt werden: Druck, Temperatur, elektrische Spannung zwischen Abscheidequelle und Substrat. Ferner kann der resultierende Schichtstress der Schichten 40, 41 , 50 durch eine Materialauswahl der Schichten 40, 41 , 50 und
Schichtdicken der Schichten 40, 41 , 50 nach erfolgtem Abscheidevorgang eingestellt werden. Dabei wird angestrebt, dass der effektive Stressgradient entlang der Schichtdicke über alle Schichten in Richtung Substrat größer (höhere Zugspannung) wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Druckspannung in der oberen Schicht 41 höher ist als eine Zugspannung in der unteren Schicht 40. Alternativ kann in einer der Schichten 40, 41 ein höherer Stresspegel mit dem gleichen Vorzeichen implementiert werden als in der anderen der Schichten 40, 41 .
Eine nicht in Figuren dargestellte Variante der Detektionseinrichtung 100 weist insgesamt lediglich drei Schichten auf, wobei eine piezoelektrische Schicht 40, 41 zwischen den beiden Elektrodenschichten 50 angeordnet ist.
Idealerweise sollte innerhalb einer piezoelektrischen Schicht 40, 41 bei einer Auslenkung nur ein Vorzeichen betreffend mechanische Belastung auftreten (d.h entweder nur Zug oder nur Druck). Zum Verschieben der neutralen Faser aus der piezoelektrischen Schicht 40, 41 kann entweder die Elektrodenschicht 50 oder eine nicht-piezoelektrische Schicht verwendet werden (nicht dargestellt).
Fig. 8 zeigt stark vereinfacht einen Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung 100.
In Fig. 8a wird ein Substrat 1 (vorzugweise Silizium) bereitgestellt, auf das nachfolgend eine Oxidschicht 2 abgeschieden wird, beispielsweise in Form von Si02.
In Fig. 8b wird ein Stapel von zwei Schichten 40, 41 aufeinander auf die
Oxidschicht 2 abgeschieden. Vorzugsweise weisen beide Schichten 40, 41 piezoelektrische Eigenschaften auf. Alternativ ist es aber auch möglich, dass lediglich eine der beiden Schichten 40, 41 piezoelektrisch ist, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, dass eine der Schichten 40, 41 geeignete mechanische Eigenschaften aufweist. Vor und nach den Schichten 40, 41 wird jeweils eine elektrische leitfähige Schicht als Elektrode abgeschieden
(beispielsweise ein Metall wie Pt oder Mo), um das elektrische Signal der piezoelektrischen Schicht auszulesen (nicht dargestellt).
In Fig. 8c wird an einer Unterseite der unteren Oxidschicht 2 mittels eines Ätzschritts eine Öffnung in die untere Oxidschicht 2 eingebracht. An Stelle der Oxidschicht sind auch andere Maskierungsschichten, wie beispielsweise Polymere oder Metalle denkbar. In Fig. 8d wird mittels eines rückseitigen Atzschritts eine Kavität in das Substrat 1 eingebracht, die bis zur Oxidschicht 2 unterhalb des Schichtstapels mit den Schichten 40, 41 reicht.
Schließlich wird in einem letzten Schritt gemäß Fig. 8e die Oxidschicht 2 bis auf einen Anteil, der als Sockel für den Ausleger dient, entfernt, sodass im Ergebnis der Schichtstapel 40, 41 gegenüber der Kante K des Substrats 1 definiert ausgerichtet ist, wobei eine resultierende Ausrichtung des Auslegers in Fig. 8e strichliert nach unten gekrümmt dargestellt ist. Die gezeigte horizontale
Ausrichtung des Auslegers wäre ein Idealfall, der allerdings prozesstechnisch nicht wiederholbar realisierbar ist.
Fig. 9 zeigt schematisch eine weitere Variante eines Herstellungsprozesses der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100. In Fig. 9a erkennt man eine Strukturierung einer Ätzmaske zum Vorderseitenätzen, beispielsweise mittels einer Strukturierung der oberen Oxidschicht 2 mittels eines Fotolacks.
Fig. 9b zeigt ein teilweises Ätzen durch das Loch von der Vorderseite, vorzugsweise mittels reaktivem lonentiefätzen (engl, deep reactive ion etching, DRIE) oder reaktivem lonenätzen (engl, reactive ion etching, RIE). Aufgrund der mit diesem Frontseitenätzen realisierbaren geringen Toleranzen, die in der
Größenordnung von < 1 μηι liegen, kann eine sehr genaue Positionierung der Kante K des Substrats 1 in Relation zum Ausleger generiert werden.
Fig. 9c zeigt ein Verfüllen des daraus generierten Grabens mit einem
Opfermaterial (z.B. spin-on-Glas, Polymer, usw.) und gegebenenfalls
nachfolgender Planarisierung. Der Planarisierungsschritt entfällt vorteilhaft, wenn flüssiges Material in den Graben verfüllt wird.
In Fig. 9d ist eine Abscheidung und Strukturierung eines piezoelektrischen Schichtstapels mit den Schichten 40, 41 gezeigt. Ebenso wie mit dem anhand von Fig. 8 erläuterten Prozess werden auch hier Elektrodenschichten mit abgeschieden, die nicht dargestellt sind. Fig. 9e zeigt ein Strukturieren einer Ätzmaske der unteren Oxidschicht 2 von der Rückseite.
Fig. 9f zeigt ein Ätzen des Substrats 1 von der Rückseite vorzugweise mittels reaktivem lonentiefätzen oder nasschemischem anisotropem Ätzen (z.B. mittels KOH). Der sich in diesem Ätzschritt ausbildende Winkel hat keine Relevanz für die Positionierung der oberseitigen Kante K des Substrats 1 , da diese bereits mit dem vorhergehenden frontseitigen Ätzschritt definiert wurde.
In Fig. 9g wird der Ausleger mit den Schichten 40, 41 durch ein Gasphasenätzen oder ein Nassätzen der Opferschicht freigestellt. Im Ergebnis ist auch hier wieder erkennbar, dass die Kante K des Substrats 1 zur freistehenden Vorderseite des Schichtstapels 40, 41 definiert ausgebildet ist, wobei eine resultierende
Ausrichtung bzw. Krümmung des Schichtstapels strichliert gezeichnet ist. Die horizontale Lage des Auslegers ist ein Idealfall, der prozesstechnisch nicht wiederholbar umsetzbar ist.
Durch ein geeignetes Design von relativen Größen und Tiefen der zwei
Ätzschritte, die das Durchgangsloch bilden und der verbleibenden Kanten unterhalb des Auslegers können Funktionen wie ein Anschlag für den Ausleger (engl, over-travel-stop) in diesem Prozessfluss gewährleistet werden. Dieser Anschlag kann einen Bruch des Auslegers bei zu hohen Schalldrücken oder Erschütterungen und den daraus resultierenden Auslenkungen verhindern.
Fig. 10 zeigt schematisch einen alternativen Prozessfluss zum Herstellen einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100.
Fig. 10a zeigt ein Strukturieren einer Ätzmaske zum Vorderseitenätzen, zum Beispiel mittels eines Strukturierens der oberen Oxidschicht 2 mittels eines Fotolacks.
Fig. 10b zeigt ein Ätzen von Gräben (engl, trench) von der Vorderseite, vorzugsweise mittels reaktivem lonentiefätzen oder mittels reaktivem lonenätzen. Fig. 10c zeigt im Prinzip ein Verfallen der Gräben mit Ätzstopmaterial (z.B. S1O2, SiN) und falls erforderlich, ein nachfolgendes Planarisieren.
Fig. 10d zeigt das Ergebnis eines Abscheidungs- und Struktunerungsprozesses eines vorzugsweise piezoelektrischen Schichtstapels 40, 41 . Die zusätzlich benötigten Elektrodenschichten sind nicht dargestellt.
Fig. 10e zeigt eine strukturierte Ätzmaske zum Rückseitenätzen, vorzugsweise zum Strukturieren der unteren Oxidschicht 2 mittels eines Fotolacks.
Fig. 10f zeigt das Ergebnis eines teilweisen Ätzens von Löchern in die untere Oxidschicht 2 mit einem anisotropen Ätzverfahren, beispielsweise in Form von reaktivem lonentiefätzen.
Fig. 10g zeigt das Ergebnis eines nachfolgenden isotropen Ätzschritts, um verbleibendes Substratmaterial unter dem Ausleger zu entfernen, wobei der Ätzschritt auf der als Ätzstopp- bzw. Opferschicht fungierenden Oxidschicht 2 stoppt.
Fig. 10h zeigt die fertiggestellte Detektionseinrichtung 100, in der der Ausleger mit den Schichten 40, 41 durch ein Gasphasen- oder Nassätzen der Opferoxidschicht freigestellt ist.
Fig. 1 1 zeigt schematisch ein piezoelektrisches Mikrofon 200 mit einer vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100.
Fig. 12 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung 100.
In einem Schritt 300 wird ein Substrat 1 bereitgestellt.
In einem Schritt 310 wird ein Ausleger aus wenigstens drei aufeinander angeordneten, auf dem Substrat 1 aufgebrachten Schichten 40, 50 ausgebildet, wobei wenigstens eine der Schichten 40, 50 eine piezoelektrische Schicht 40 ist, wobei auf beiden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht 40 jeweils eine Elektrodenschicht 50 angeordnet wird, wobei der Ausleger derart ausgebildet wird, dass ein freies Ende des Auslegers aufgrund von Schichtstress der Schichten 40, 50 in Relation zu einer Horizontallage des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.
Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine Detektionsein- richtung für ein piezoelektrisches Mikrofon und ein Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon vorgeschlagen, mit dem vorteilhaft ein akustischer Leckpfad beim piezoektrischen Mikrofon minimiert werden kann.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der
Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1 . Detektionseinrichtung (100) für ein piezoelektrisches Mikrofon (200),
aufweisend:
einen Ausleger mit wenigstens drei aufeinander angeordneten Schichten (40, 50), wobei wenigstens eine der Schichten (40) eine piezoelektrische Schicht ist;
wobei auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht (40) jeweils eine Elektrodenschicht (50) angeordnet ist;
wobei ein Schichtstress der Schichten (40, 50) derart ist, dass ein freies Ende des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers
ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.
2. Detektionseinrichtung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen drei Elektrodenschichten (50) zwei piezoelektrische
Schichten (40, 41 ) angeordnet sind.
3. Detektionseinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodenschichten (50) eine nicht-piezoelektrische Schicht mit definierten mechanischen Eigenschaften ist.
4. Detektionseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger in Relation zu einer Horizontallage um ca. 1 μηι bis ca. Ι Ομηη, vorzugsweise um ca. 3μηι bis ca. 6μηι nach unten geneigt ist.
5. Piezoelektrisches Mikrofon (200) aufweisend eine Detektionseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4. Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung (100) für ein piezoelektrisches Mikrophon (200), aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Substrats (1 );
Ausbilden eines Auslegers aus wenigstens drei aufeinander
angeordneten, auf dem Substrat (1 ) aufgebrachten Schichten (40, 50), wobei wenigstens eine der Schichten (40, 50) eine piezoelektrische Schicht (40) ist, wobei auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht (40) jeweils eine
Elektrodenschicht (50) angeordnet wird, wobei der Ausleger derart ausgebildet wird, dass ein freies Ende des Auslegers aufgrund von Schichtstress der Schichten (40, 50) in Relation zu einer Horizontallage des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Ausleger in Relation zu einer Kante (K) des Substrats (1 ) definiert ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Substrat (1 ) zur Ausbildung der Kante (K) von oberhalb des Substrats (1 ) kommend geätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Loch mit flüssigem Füllmaterial verfüllt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Schichtstress der Schichten (40, 41 ) durch wenigstens einen der folgenden Parameter eingestellt wird: Druck während eines Abscheidevorgangs der Schichten (40, 41 ), Temperatur während des Abscheidevorgangs der Schichten (40, 41 ), elektrische Spannung zwischen Abscheidequelle und Substrat während des Abscheidevorgangs der Schichten (40, 41 ), Materialauswahl der Schichten (40, 41 ), Schichtdicken der Schichten (40, 41 ) nach erfolgtem
Abscheidevorgang (40, 41 ).
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Öffnungen im Substrat (1 ) mittels reaktivem lonentiefätzen oder mittels nasschemischem Ätzen erzeugt werden.
12. Verwendung einer Detektionseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem piezoelektrischen Mikrofon (200).
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