EP4487576A1 - Korrugationen oder schwächungsbereiche auf ankerstrukturen von vertikalen mems-wandler-membranen - Google Patents

Korrugationen oder schwächungsbereiche auf ankerstrukturen von vertikalen mems-wandler-membranen

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EP4487576A1
EP4487576A1 EP23706377.1A EP23706377A EP4487576A1 EP 4487576 A1 EP4487576 A1 EP 4487576A1 EP 23706377 A EP23706377 A EP 23706377A EP 4487576 A1 EP4487576 A1 EP 4487576A1
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EP
European Patent Office
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layer
sections
vertical
horizontal
vertical sections
Prior art date
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Application number
EP23706377.1A
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English (en)
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Inventor
Dennis Becker
Alfons Dehé
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Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Original Assignee
Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
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Publication date
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Application filed by Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV filed Critical Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
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Pending legal-status Critical Current

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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the invention in a first aspect, relates to a MEMS transducer, which comprises an oscillatable membrane for generating or absorbing pressure waves in a vertical emission direction, the oscillatable membrane being held by a carrier and the oscillatable membrane having vertical sections which are essentially parallel to the Emission direction or recording direction are formed and comprise at least one layer of an actuator material.
  • the oscillatable membrane is preferably in contact with an electrode at the end, so that the vertical sections can be excited to horizontal oscillations by controlling the electrode or so that an electrical signal can be generated at the electrode when the vertical sections are excited to horizontal oscillations.
  • the vertical sections and/or the horizontal sections have one or more corrugations and/or weakened areas.
  • the invention relates to a method for producing the MEMS converter according to the invention.
  • microsystems technology is used in many fields of application for the manufacture of compact, mechanical-electronic devices.
  • the microsystems that can be produced in this way are very compact (approx. in the micrometer range) with excellent functionality and ever lower production costs.
  • MEMS converters such as for example MEMS loudspeakers or MEMS microphones
  • MEMS loudspeakers are also known from the prior art.
  • Current MEMS loudspeakers are mostly designed as planar membrane systems with a vertical actuation of an oscillatable membrane in the direction of emission.
  • the excitation takes place, for example, by means of piezoelectric, electromagnetic or electrostatic actuators.
  • a capacitive MEMS microphone comprising a thin, flexible membrane as active electrode and a rigid backplate as stationary electrode is disclosed.
  • corrugations are applied, which are connected to each other by flat sections (bridges). The introduction of the corrugations is intended in particular to reduce intrinsic stress in the membrane.
  • a capacitive MEMS microphone is also disclosed in CN 112492487. In this case, an undesired sticking between the membrane and a back plate is to be prevented.
  • An electromagnetic MEMS speaker for mobile devices is proposed in Shahosseini et al. described in 2015. The MEMS speaker features a stiffening silicon microstructure as a sound radiator, with the moving part suspended on a support via silicon mainsprings to allow large out-of-plane displacements by an electromagnetic motor.
  • Stoppel et al. 2017 discloses a two-way loudspeaker whose concept is based on concentric piezoelectric actuators.
  • the vibrating membrane is not closed, but comprises eight piezoelectric unimorph actuators, each consisting of a piezoelectric and a passive layer.
  • the outer woofers consist of four cantilever actuators with a trapezoidal shape, while the inner tweeters are formed by four triangular actuators spring-connected to a rigid frame. The separation of the membrane should allow an improved sound image at higher power.
  • a disadvantage of such planar MEMS loudspeakers is their limitation in relation to the possible sound power, particularly at low frequencies.
  • One reason for this is that the sound pressure level that can be generated is proportional to the square of the frequency for a given deflection. For sufficient sound power, either deflections for the vibrating membranes of at least 100 pm or large-area membranes in the square centimeter range are necessary. Both conditions are difficult to achieve using MEMS technology.
  • a MEMS loudspeaker based on this principle is described, for example, in US 2018/0179048 A1 and Kaiser et al. revealed in 2019.
  • the MEMS loudspeaker comprises a plurality of electrostatic bending actuators, which are arranged as vertical lamellae between a top and bottom wafer and can be excited to lateral vibrations by appropriate control.
  • an inner lamella forms an actuator electrode opposite two outer lamellas.
  • the bulges of the outer slats are used for mobility.
  • the restoring force is given by a mechanical spring force. A pull-push operation is therefore not possible.
  • Another disadvantage is that gaps between the bending actuators and the cover/base wafers, which are necessary for their mobility, lead to ventilation between the two lead chambers. This limits the lower cut-off frequency. Furthermore, the lateral movement of the bending actuators and thus the sound power is restricted in order to avoid a pull-in effect and acoustic breakdown.
  • US 2017/0006381 A1 discloses a MEMS sound transducer comprising a multi-layer piezoelectric membrane which is suspended between a carrier substrate. By providing an intermediate layer between two piezo layers, the piezoelectric effect and thus the performance of the transducer as a microphone or loudspeaker should be enhanced.
  • the membrane is structured in such a way that there are several gaps where there is no piezo layer. Furthermore, the membrane has indentations which have different depths, so that the piezo layers can be excited via a respective upper and lower electrode layer and/or electronic signals can be tapped.
  • the cutouts should allow for a larger stroke in the z-direction and thus a higher sound pressure level.
  • the membrane is structured in such a way that a meandering pattern with active piezoelectric areas and passive piezoelectric areas is present in a plan view.
  • the active piezoelectric areas (25a-d) preferably have an anchor to the carrier at the outer end of the membrane and a free end in the direction of the center of the membrane, so that mobility or curvature of the membrane in an out-of-plane or z -direction is enabled.
  • the device comprises a front and rear chamber and a plurality of valves, the front and rear chambers being separated from one another by means of a folded membrane.
  • the folded membrane has a rectangular meandering structure with horizontal and vertical sections in cross section. Piezo actuators are positioned on the respective horizontal sections in order to bring about a lateral movement of the vertical sections by synchronized expansion or compression of the horizontal sections.
  • a disadvantage is the increased effort for the synchronized drive of the piezo actuators.
  • WO 2021/144400 A1 discloses a MEMS converter that can be used both as a MEMS loudspeaker and as a MEMS microphone.
  • the MEMS transducer described therein has an oscillatable membrane which is constructed in such a way that it comprises two or more vertical sections which are essentially parallel to the vertical direction. Furthermore, the oscillatable membrane comprises at least one layer made of an actuator material and is contacted at the end with at least one electrode. As a result, the vertical sections can be excited to horizontal oscillations by controlling the electrode. Conversely, even with an excitation of the vertical Sections to horizontal vibrations at the electrode will generate an electrical signal.
  • the MEMS converter disclosed in WO 2021/144400 A1 has significant improvements over the prior art.
  • the design of the oscillatable membrane comprising the vertical sections advantageously leads to a higher sound output, with the contacting at the same time ensuring simplified controllability.
  • a MEMS microphone too, higher performance and audio quality with a suitable sound pattern are advantageously made possible.
  • tried-and-tested semiconductor processing processes can be used to manufacture the MEMS converter, making cost-efficient production possible.
  • the object of the invention is to provide a MEMS converter and a method for producing the MEMS converter which do not have the disadvantages of the prior art.
  • the invention preferably relates to a MEMS transducer for interacting with a volume flow of a fluid, comprising a carrier and an oscillatable membrane for generating or absorbing pressure waves of the fluid in a vertical direction, which is attached to the carrier and makes contact with at least one electrode is present, wherein the oscillatable membrane has vertical sections and horizontal sections, the vertical sections being formed essentially parallel to the vertical direction and the horizontal sections connecting the vertical sections to one another, so that the vertical sections can be excited to horizontal oscillations by controlling the at least one electrode or so that when the vertical sections are excited to horizontal oscillations on the electrode, an electrical signal can be generated, characterized in that the vertical sections and/or the horizontal sections have one or more corrugations and/or weakened areas.
  • the MEMS transducer can be a MEMS speaker or a MEMS microphone. Due to the construction of the MEMS converter, a number of advantages can be achieved for use as a MEMS loudspeaker and as a MEMS microphone.
  • a MEMS speaker with high sound power and simplified driving can be obtained.
  • the oscillatable membrane itself does not have to be operated over a large area of several square centimeters or with high deflection in order to generate sufficient sound pressure. Instead, the majority of the vertical sections of the oscillatable membrane can move an increased total volume in the vertical emission direction with small horizontal or lateral movements of a few micrometers.
  • the design of the MEMS microphone is structurally similar to that of the MEMS loudspeaker, particularly with regard to the design of the oscillatable membrane.
  • the MEMS microphone instead of driving the electrodes to generate horizontal vibrations and thus sound pressure waves, the MEMS microphone is designed to pick up sound pressure waves in the same vertical direction. Air volumes are therefore preferably present between the vertical sections, which are moved along a vertical detection direction when sound waves are recorded. The vertical sections are excited to horizontal vibrations by the sound pressure waves, so that the actuator material generates a corresponding periodic electrical signal.
  • the MEMS converter preferably comprises an essentially continuous actuator layer comprising an actuator material.
  • the actuator layer runs along the vertical sections and the horizontal sections of the membrane.
  • the vertical and horizontal sections comprise an actuator material.
  • An essentially continuous actuator layer preferably means that the actuator layer is only interrupted by corrugation and/or weakened areas, but is otherwise present over the entire surface of the oscillatable membrane.
  • the actuator position is preferably used to excite the membrane to vibrate (in the case of a loudspeaker) or to detect vibrations of the membrane (in the case of a microphone), which means that the excitation or measurement principle differs significantly from capacitive MEMS transducers .
  • the application of corrugations and/or weakened areas to the vertical and/or horizontal sections has proven extremely advantageous for the vibration behavior of the membrane, both with regard to applications as MEMS loudspeakers and as MEMS microphones.
  • corrugations and/or weakened areas enable a higher degree of rotation of the vertical sections, as a result of which a particularly efficient deflectability of the membrane during the generation or absorption of pressure waves in the fluid is ensured.
  • the corrugations and/or weakened areas result in the vertical sections experiencing a particularly defined curvature when pressure waves are generated or absorbed, and potentially irregular buckling (buckling 1 ) is prevented particularly effectively.
  • the vertical sections When generating or absorbing pressure waves, the vertical sections can therefore be driven or excited to horizontal vibrations even more effectively in order to optimize the performance of the MEMS converter.
  • corrugations and/or weakened areas allow higher amplitudes of the horizontal vibrations of the vertical sections.
  • the THD total harmonic disorder
  • the THD preferably indicates the ratio of the total power of all harmonics to the power of the fundamental oscillation of an oscillatable membrane. Consequently, by reducing the THD, the sum of the harmonics and thus distortion of the measurement signal or the signal that can be generated is reduced.
  • a particularly good sound pattern results both when recording and when generating pressure waves of the fluid.
  • the advantageous effects can be attributed in part to the fact that the corrugations and/or weakened areas can be used to adjust the stiffness of the respective sections of the oscillatable membrane.
  • the corrugations and/or weakened areas can be used to adjust the stiffness of the respective sections of the oscillatable membrane.
  • horizontal sections designed to be too stiff have a disadvantageous effect on the mobility of the vertical sections impede and can lead to irregularities in their deflection or curvature during horizontal vibrations.
  • Targeted positioning of corrugations and/or weakened areas, in particular in the horizontal sections reduces their rigidity and increases the deflectability or freedom of rotation of the vertical sections.
  • the rigidity and thus the deflectability can advantageously be set and adapted depending on the application by designing the corrugations and/or the weakened areas, in particular with regard to geometry, width and/or depth.
  • the vibration behavior of the oscillatable membrane of the MEMS converter can also be optimized by preferred embodiments of the weakened areas, for example with regard to a variation of layer thicknesses, number or positioning.
  • corrugations and/or weakened areas using known techniques, process steps and/or methods of semiconductor and microsystems technology, which have been established as particularly effective in the prior art.
  • the application of corrugations and/or weakened areas on the vertical and/or horizontal sections is thus advantageously possible in a process-efficient manner.
  • a corrugation preferably denotes a deviation from a profile of a section of the oscillatable membrane, which is preferably a depression or elevation in an otherwise essentially planar profile of the section.
  • corrugation preferably denotes a deviation from a continuous, preferably rectilinear course of a sub-area (e.g. a horizontal and/or vertical sub-area).
  • a corrugation can mean a groove or furrow or a ridge, i. H. in particular a depression or elevation in the vertical and/or the horizontal sections.
  • These corrugations can have a variety of configurations in terms of geometry, depth, width and/or aspect ratio.
  • a weakened area preferably designates a reduction in the thickness of a ply or a layer of the oscillatable membrane.
  • areas of weakness relate to thicknesses of the plies that provide the vertical and/or the horizontal portions.
  • the horizontal sections and/or vertical sections can be multi-layered and one or more weakened areas are brought about by varying the layer thickness of at least one layer.
  • the layer thickness of the at least one layer e.g. an actuator layer, the layer of an electrically conductive layer or a top or bottom electrode or a mechanical support layer
  • the layer thickness of the at least one layer is preferably less than 70%, preferably less than 60%, 50% , 40% or less of an initial layer thickness reduced.
  • a weakened area can also mean a reduction in a layer thickness of at least one layer to 30%, 20% or 10% or less of an initial layer thickness.
  • layer and “layer” can be used synonymously in the context of the invention.
  • a corrugation and/or a weakened area is preferably present in the vertical and/or horizontal sections, wherein preferably several corrugations and/or weakened areas can also be present along a section.
  • a weakened area corresponds to a reduction in a layer thickness of at least one layer to 0% of an initial layer thickness.
  • a weakened area is characterized by the absence of the at least one layer in a partial area of the membrane.
  • a weakened area is preferably characterized by a reduction in a layer thickness of at least one layer (in some embodiments to 0%), with at least one other layer in the weakened area having no reduction in layer thickness compared to an initial layer thickness.
  • a weakened area can also be characterized by a reduction in the layer thickness of all layers of the membrane, up to the point where all layers are missing in a partial area. In the latter case, a weakened area is preferably formed by an opening in the membrane.
  • a weakened area is characterized by an exchange of the at least one layer for another layer (i.e. a layer comprising a different material).
  • a weakened area can be formed by exchanging an actuator material in a partial area for a non-actuator material or insulation material, preferably an insulation layer or insulating layer.
  • a weakened area can therefore be reduced both by weakening the mechanical properties of a sub-area (e.g. reduction in rigidity) and by weakening a functional property, e.g. B. the ability to be induced to change shape by the application of a signal.
  • Weakened areas and corrugations can preferably be present in combination with one another on the membrane.
  • a corrugation can also be preferred that there is a weakened area along a section of the membrane to which a corrugation is also attached, the section being, for example, a vertical and/or a horizontal section of the membrane.
  • a weakened area on or within a corrugation i.e. it can be preferred that a weakened area is present within a corrugation, for example in the form of a reduction in a layer thickness of at least one layer compared to an initial layer thickness (in some cases to 0%).
  • a corrugation within a weakened area. i.e. the weakened area can, for example, extend over a section of the membrane, wherein a corrugation, as described above, is additionally introduced within the weakened section.
  • Both weakened areas and corrugations are preferably characterized in that they represent a deviation or inhomogeneity with regard to the functional and/or mechanical properties of the partial sections of the oscillatable membrane, which, however, is deliberately introduced.
  • the inventors have recognized that a deflectability of the vertical sections and thus the vibration behavior of the oscillatable membrane can be significantly improved by the targeted introduction of corrugations and/or weakened areas in horizontal and/or vertical sections.
  • a weakened area is therefore preferably characterized by a change in the functional and/or mechanical properties of a section or partial area of the membrane.
  • a functional property can preferably mean an adaptation of the actuability of the subsection, so that in particular the weakened area is actuated more weakly than the subsections of the membrane that do not have a weakened area.
  • the layer thickness of the actuator layer it can be preferable for the layer thickness of the actuator layer to be reduced in the weakened area or not at all. It can also be preferred that a layer necessary for controlling the actuator layer, such as a layer of a conductive material, is missing in some areas or is only present in reduced form.
  • a weaker actuability can be ensured, for example, by reducing the occurrence of a piezoelectric effect on a section of the diaphragm.
  • the actuator layer will therefore experience no or only a reduced change in stress or shape in the weakened area.
  • Such a deliberately introduced irregularity in the actuation of the areas can surprisingly effectively prevent the occurrence of buckling or other distortions.
  • the vertical sections can exhibit increased mobility and oscillate harmoniously - without distortion.
  • a weakened area can be characterized by a change, in particular a reduction, in the mechanical properties of the membrane in the section in question.
  • the mechanical properties mean, for example, rigidity, i. H. a property of mechanically resisting a change in shape.
  • Mechanical properties of a weakened area can preferably be brought about, for example, by reducing the layer thickness of a mechanical support layer or by exchanging a layer of mechanical support material for a material with a lower rigidity (or a higher modulus of elasticity).
  • the regional weakening of the mechanical properties, such as a stiffness of the membrane advantageously also leads to an optimization of the deflection behavior of the membrane, in which the mobility of the vertical sections is increased and undesirable effects such as buckling are avoided.
  • the directional information vertical and horizontal with regard to the MEMS transducer or the membrane preferably relates to a preferred direction in which the oscillatable membrane is aligned for generating or absorbing pressure waves of the fluid.
  • the oscillatable membrane is preferably suspended horizontally between at least two side regions of a carrier, while the vertical direction (direction of interaction with the fluid) for generating or absorbing pressure waves is orthogonal thereto.
  • the MEMS converter is a MEMS loudspeaker or a MEMS microphone.
  • the term MEMS converter is therefore both a MEMS microphone and also understand a MEMS speaker.
  • the MEMS converter refers to a converter for interacting with a volume flow of a fluid, which is based on MEMS technology and whose structures for interacting with the volume flow or for absorbing or generating pressure waves of the fluid are dimensioned in the micrometer range (1 pm to 1000 pm ) exhibit.
  • the fluid can be both a gaseous and a liquid fluid.
  • the structures of the MEMS converter, in particular the oscillatable membrane, are designed to generate or absorb pressure waves of the fluid.
  • the MEMS converter can also be suitable as an actuator or sensor for other pressure waves.
  • the MEMS transducer is therefore preferably a device which converts pressure waves (e.g. acoustic signals as acoustic pressure changes) into electrical signals or vice versa (conversion of electrical signals into pressure waves, for example acoustic signals).
  • the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound emission direction of the MEMS speaker.
  • vertical preferably means the direction of the sound emission, while horizontal means a direction orthogonal thereto.
  • the vertical (interaction) direction corresponds to the vertical sound detection direction of the MEMS microphone.
  • vertical preferably means the direction of the sound detection or recording, while horizontal means a direction orthogonal thereto.
  • the vertical sections of the oscillatable membrane thus preferably designate sections of the oscillatable membrane which are essentially aligned in the emission direction of a MEMS loudspeaker or detection direction of a MEMS microphone.
  • the person skilled in the art understands that it does not have to be an exact vertical alignment, but that the vertical sections of the oscillatable membrane are preferably aligned essentially in the emission direction of a MEMS loudspeaker or the detection direction of a MEMS microphone.
  • the vertical sections are aligned essentially parallel to the vertical direction, essentially parallel meaning a tolerance range of ⁇ 30°, preferably ⁇ 20°, particularly preferably ⁇ 10° around the vertical direction.
  • the oscillatable membrane can therefore preferably not only have a rectangular meander shape in cross section, but also a curved or wavy shape or a sawtooth shape (zigzag shape).
  • the vertical and/or horizontal sections are preferably straight at least in sections or over their entire length, but the vertical and/or horizontal sections can also be curved at least in sections or over their entire length.
  • the orientation preferably relates to a tangent to the curved vertical and/or horizontal sections at their respective midpoints. While the oscillatable membrane is preferably aligned horizontally to the sound emission direction or sound detection direction, the sound waves are generated by an actuation of the vertical sections or vice versa detected. Therefore, at least the vertical sections preferably comprise a layer comprising an actuator material.
  • the vertical and/or horizontal sections of the membrane preferably designate sections of a membrane (area) which have different orientations. While the vertical sections of the diaphragm are essentially aligned in the direction of acoustic emission or acoustic detection, the horizontal sections of the diaphragm are essentially in an orthogonal orientation thereto.
  • the membrane can thus also be understood as a folded membrane, which is folded preferably along a width. While the vertical and horizontal sections have a different orientation, they are preferably characterized by a similar layer structure and by essentially equally large layer thicknesses.
  • Functional layers of the membrane such as an actuator layer, mechanical support layer and/or a layer comprising an electrically conductive material, preferably also extend along both the horizontal and the vertical sections.
  • the membrane according to the invention with horizontal and/or vertical sections differs significantly from the membrane disclosed in US 2017/0006381 A1.
  • the membrane for the MEMS converter disclosed in US 2017/0006381 A1 represents a planar membrane which is present in one plane and has no folding into vertical or horizontal sections.
  • the diaphragm of US 2017/0006381 A1 is excited to vertical vibrations along the emission direction in the case of a configuration as a loudspeaker by exciting the piezoelectric layers.
  • an increase in the generated sound pressure level can advantageously be achieved in comparison with planar membranes in the case of a MEMS loudspeaker due to a greater displacement of the fluid volume.
  • the folded design of the membrane means that more fluid volume can be accommodated between the vertical sections and the sensitivity of the sound detector can be increased.
  • the carrier comprises two side areas between which the oscillatable membrane is arranged in the horizontal direction.
  • the carrier is preferably a frame structure which is essentially formed by a continuous outer border in the form of side walls of a flat area that remains free.
  • the frame structure is preferably stable and rigid.
  • the individual side regions which preferably essentially form the frame structure, are in particular called side walls.
  • the oscillatable membrane is preferably held by at least two side walls of the carrier.
  • the two side walls can be seen in cross section.
  • the carrier preferably comprises four side areas, preferably with additional end faces, generally parallel to the cross section drawn. These other two side walls span the frame structure.
  • the oscillatable membrane is preferably suspended flat within the area that remains free.
  • the flat spread of the oscillatable membrane characterizes a horizontal direction, while the vertical sections are essentially orthogonal to it. With regard to the end faces, the membrane can be adhered to these side walls or slit there for the purpose of greater mobility.
  • the slot can advantageously represent a dynamic high-pass filter which, for example, couples a front volume and a rear volume to one another.
  • the carrier is formed from a substrate, preferably selected from a group comprising monocrystalline silicon, polysilicon, silicon dioxide, silicon carbide, silicon germanium, silicon nitride, nitride, germanium, carbon, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide and/or glass.
  • the support structure can be manufactured flexibly due to the materials and/or manufacturing methods.
  • the MEMS transducer comprising an oscillatable membrane together with a carrier in a (semiconductor) process, preferably on a wafer. This further simplifies and reduces the cost of manufacture, so that a compact and robust MEMS converter can be provided at low cost.
  • Electrode preferably means an area made of a conductive material (preferably a metal) which is used for such contacting with electronics, e.g. B. a current and / or voltage source in the case of a MEMS speaker is set up. It can preferably be an electrode pad. Particularly preferably, the electrode pad is used for making contact with electronics and is itself connected to a conductive metal layer, which can extend over the entire surface of the oscillatable membrane. In some cases, the conductive layer is referred to below together with an electrode pad as an electrode, for example as a top electrode or bottom electrode.
  • the layer is particularly preferably made of a conductive material, preferably metal, in the sense of a top or bottom electrode as a continuous or full-area or contiguous layer of the oscillatable membrane, which forms a substantially homogeneous surface and is in particular not structured. Instead, the two or more vertical sections are contacted with the end-side electrode or the electrode pad, preferably by means of an unstructured layer made of a conductive material, preferably metal.
  • the MEMS transducer comprises two end-side electrodes.
  • electronics e.g. B. a current or voltage source, with the electrodes at opposite ends of the oscillatable membrane, between which the vertical sections are present, so that the actuator position (s) can be controlled in the vertical sections by means of the end-side electrodes.
  • the provision of the electrodes at the end is therefore preferably distinguished from a contact which controls the respective vertical sections with respective separate electrodes or, in the case of a MEMS microphone, picks up electrical signals generated.
  • the MEMS converter thus preferably comprises exactly one or exactly two electrodes for end-side contacting and no further electrodes (pads) for contacting central vertical sections.
  • the layer made of an actuator material in the vertical sections preferably serves as a component of a mechanical bimorph, with activation of the actuator layer via the electrode causing a lateral curvature of the vertical sections or a corresponding electrical signal being generated by an induced lateral curvature. Having corrugations and/or areas of weakness at vertical, horizontal, and/or at junctions between vertical and horizontal sections has been found to be extremely helpful to the performance of the mechanical bimorph.
  • the two or more vertical sections have at least two layers, one layer comprising an actuator material and a second layer comprising a mechanical support material, and at least one layer comprising the actuator material and being contacted with an end-side electrode, so that the horizontal vibrations pass through a change in shape of the actuator material can be generated in relation to the mechanical support material.
  • the mechanical bimorph is formed by a layer of actuator material (e.g., a piezoelectric material) and a passive layer that acts as a mechanical support layer. Both a transverse and a longitudinal piezo effect can be used for the bending.
  • the actuator position When the actuator position is activated, it can be stretched or compressed transversely or longitudinally, for example. This creates a stress gradient in relation to the mechanical support layer, which leads to lateral curvature or vibration.
  • a push-pull operation can preferably take place, as a result of which almost the entire air volume can be moved alternately between the vertical sections in the vertical emission direction.
  • the corrugations and/or weakened areas allow the vertical sections to have a particularly high degree of deflection and thus increase the displacement volume.
  • the advantage of the actuator principle is therefore a highly efficient translation of the horizontal vibrations of vertical sections into a vertical volume movement or sound generation. This can advantageously take place in a particularly optimized manner with the aid of the attachment of corrugations and/or weakened areas, since both the flexural rigidity of the vertical sections and their freedom of rotation can be adjusted.
  • the actuator principle is not based on electrostatic attraction, but on a relative change in shape (e.g. compression, stretching and/or shearing) of the actuator layer in relation to a supporting layer, sticking of the membrane sections can be ruled out. Instead, the vertical sections can finally touch and are thus not restricted in their deflection.
  • the two or more vertical sections comprise at least two layers, both layers comprising an actuator material and being present with electrodes preferably contacted at the end and the horizontal oscillations being able to be generated by a change in shape of one layer relative to the other layer.
  • the horizontal vibration of the vertical sections is therefore not generated by a stress gradient between an active actuator layer and a passive support layer, but by a relative change in shape of two active actuator layers.
  • the actuator layers can consist of the same actuator material and can be controlled differently.
  • the actuator layers can also consist of different actuator materials, for example piezoelectric materials with different deformation coefficients.
  • the “layer comprising an actuator material” is preferably also referred to as an actuator layer.
  • An actuator material preferably means a material which, when an electrical voltage is applied, undergoes a change in shape, for example expansion, compression or shearing, or conversely generates an electrical voltage with a change in shape.
  • the actuator material can preferably be a piezoelectric material, a polymer piezoelectrical material and/or electroactive polymers (EAP).
  • EAP electroactive polymers
  • the piezoelectric material is particularly preferably selected from a group comprising lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AIN), aluminum scandium nitride (AIScN) and zinc oxide (ZnO).
  • PZT lead zirconate titanate
  • AIN aluminum nitride
  • AIScN aluminum scandium nitride
  • ZnO zinc oxide
  • the “layer comprising a mechanical support material” is preferably also referred to as a support layer or supporting layer.
  • the mechanical support material or the support layer preferably serves as a passive layer which can withstand a change in shape of the actuator layer.
  • the mechanical support material preferably does not change its shape when an electrical voltage is applied. That is preferred mechanical support material is electrically conductive, so that it can also be used directly for contacting the actuator layer. In some embodiments, however, it can also be non-conductive and, for example, be coated with an electrically conductive layer.
  • the mechanical support material is particularly preferably monocrystalline silicon, a polysilicon or a doped polysilicon.
  • the thickness of the support layer should preferably be selected in comparison to the thickness of the actuator layer in such a way that a sufficiently large stress gradient is generated for the curvature.
  • thicknesses that are essentially the same size preferably between 0.5 ⁇ m and 2 ⁇ m, have proven to be particularly suitable for doped polysilicon as a mechanical support material and a piezoelectric material such as PZT or AlN.
  • the oscillatable membrane therefore comprises at least one layer made of a conductive material.
  • the conductive material is selected from a group comprising platinum, tungsten, (doped) tin oxide, monocrystalline silicon, polysilicon, molybdenum, titanium, tantalum, titanium-tungsten alloy, metal silicide, aluminum, graphite and/or copper.
  • corrugations and/or the weakened areas according to the invention can equally relate to layers of an actuator material, a mechanical support material and/or a conductive material.
  • the MEMS transducer is characterized in that the one or more corrugations and/or areas of weakness are present along the horizontal sections, along the vertical sections and/or at junctions between vertical sections and horizontal sections.
  • corrugations and/or the weakened areas can be attached to the vertical sections and the horizontal sections.
  • corrugations and/or weakening areas are attached to the vertical sections and the horizontal sections.
  • corrugations and/or weakened areas on horizontal sections and at connection points lead to an increase in the freedom of rotation of the vertical sections.
  • Corrugations and/or weakened areas on vertical sections advantageously reduce the flexural rigidity, so that the deflectability of the vertical sections can be further increased. Both positions can be used alone or in combination to generate high sound pressure levels without significant distortion.
  • the MEMS transducer is characterized in that at least 1, 2, 3, 4, 5 or more corrugations and/or weakening areas are attached along a vertical section and/or a horizontal section.
  • the number of corrugations and/or weakened areas represents a parameter through the selection of which the vibration behavior of the vertical sections can be optimized.
  • a greater freedom of rotation is advantageously achieved through a higher number of corrugations and/or weakened areas on vertical sections and/or connection points.
  • a higher number of corrugations and/or weakened areas on the vertical sections advantageously results in a higher deflectability of the vertical sections due to a greater reduction in the rigidity of the vertical sections.
  • the vibration behavior of the oscillatable membrane can advantageously be optimized in a particularly simple manner by a corresponding selection, in particular with regard to the number of corrugations and/or weakened areas, the vibration behavior of the oscillatable membrane.
  • the MEMS transducer is characterized in that the one or more corrugations have a rectangular, trapezoidal, square, triangular, part-circular and/or round cross section.
  • the geometric shapes mentioned can advantageously promote the optimization of the vibration behavior through the corrugations.
  • the production of these geometric configurations of the corrugations has advantageously proven to be particularly simple.
  • the preferred cross sections of the corrugations can be made possible, for example, by providing a correspondingly shaped shaping component or a structured carrier substrate and a subsequent coating process.
  • One or more corrugations preferably have a rectangular cross-section.
  • a rectangular cross section is preferably characterized by a planar quadrilateral whose interior angles are all essentially right angles. It can also be preferred that one or more corrugations have a trapezoidal cross section.
  • a trapezoidal cross-section is preferably characterized by a planar square with two sides lying essentially parallel to one another.
  • one or more corrugations have a square cross section.
  • a square cross section is preferably characterized by four sides of essentially equal length and four essentially right angles.
  • one or more corrugations have a triangular cross section.
  • a triangular cross section is preferably characterized by three angles that are spanned by its sides.
  • one or more corrugations have a part-circular cross section.
  • “partially circular” preferably means a partial section of a circular shape.
  • a part-circular cross section can preferably also be in the form of an essentially semicircle.
  • a round cross section preferably means a cross section that does not have corners and/or edges within the corrugations and can have, for example, a semicircular shape or another shape (elliptical, etc.).
  • the MEMS transducer is characterized in that the one or more corrugations have a depth of 1 pm - 100 pm, preferably 2 pm - 20 pm and/or a width between approx. 0.5 pm - 50 pm, preferably between 1 pm - 5 pm.
  • the MEMS transducer is characterized in that the one or more corrugations have an aspect ratio of width to depth of 1:1 or more, preferably 1:2 or more.
  • the aspect ratio is preferably the ratio of the depth or height to the (smallest) lateral extent.
  • the aspect ratios mentioned are advantageous in that they lead to a particularly effective increase in the deflectability of the vertical sections and can also be produced simply and reliably using methods known in the prior art.
  • the MEMS transducer is characterized in that the horizontal sections and/or vertical sections are formed in multiple layers and one or more weakened areas are brought about by varying the layer thickness of at least one layer, with the layer thickness of the at least one layer preferably increasing less than 70%, preferably less than 60%, 50%, 40% or less of an initial layer thickness is reduced.
  • a weakened area preferably means a reduced layer thickness of a layer of the membrane compared to the average thickness of the partial section of the membrane.
  • the variation in the layer thicknesses in the weakened area can affect a reduction in the layer thickness of a selection of the layers, for example one or two layers or else all layers of the multi-layer membrane.
  • weakened areas have similar advantageous technical effects as the application of corrugations.
  • the MEMS transducer is characterized in that the horizontal sections and/or vertical sections are formed in multiple layers and one or more weakened areas are formed by reducing a layer thickness of at least one layer to 0% in some areas.
  • This can preferably relate to a layer comprising a conductive material, a layer comprising a support material and/or the actuator layer.
  • one or more weakened areas are provided by regionally reducing a layer thickness of all layers of the membrane to 0% of an initial layer thickness, provided these layers include an actuator material, a mechanical support material or a conductive material.
  • a cover layer preferably a layer made of a polymer material, which extends at least over the weakened areas.
  • Preferred embodiments of the topsheet, preferably in the form of a polymeric layer, are disclosed elsewhere herein.
  • a reduction to 0% of the initial layer thickness preferably denotes the complete absence of a layer in at least a partial region of the membrane, which consequently defines the weakened area, so that in the context of the invention this is also synonymously referred to as a lack or a gap in a layer in the relevant (weakened) area can be.
  • a reduced actuation can be brought about, for example.
  • a cutout can be present on a conductive material of the membrane—for example a top and/or bottom electrode.
  • a top electrode can preferably be omitted in one or more weakened areas, for example in a horizontal section. In contrast to the rest of the horizontal section of the membrane, no electric field or only a reduced electric field can be formed between the top and bottom electrodes in the area in which the top electrode is missing.
  • a piezoelectric actuator layer which is located between the top and bottom electrodes, is therefore not stimulated or actuated in the area of the cutout of the top electrode to change its shape, or to a lesser extent.
  • it can be preferred that one or more weakened areas are formed by a bottom electrode being left open in some areas.
  • the reduced or weaker actuation is based - without being limited to theory - on a weakened electric field.
  • the reduced actuation therefore results in a preferred reduction or elimination of a piezoelectric effect at the point in question.
  • the vibration behavior of the membrane can advantageously be optimized by increasing the mobility of adjacent vertical sections and/or avoiding undesirable effects such as buckling.
  • Such a regional reduction in the ability to actuate the membrane can also be brought about by a region-wise lack of the actuator layer—for example a piezoelectric actuator layer.
  • the actuator layer is replaced, for example in the section of the weakened area, by a material that is not an actuator material, for example by a dielectric material.
  • a functional layer e.g. an actuator layer
  • a non-functional layer e.g. a dielectric material as insulation material
  • an insulating material as an insulating layer (eg a dielectric material) in a weakened area--for example between a layer comprising a conductive material (top and/or bottom electrode)--and the actuator layer.
  • an insulating layer eg a dielectric material
  • it can preferably be a weakened area by varying the layer thickness of at least one layer, in which an additional layer is introduced and the total thickness of the membrane may even increase.
  • a weakened area can also be characterized by the area-wise lack or omission of a mechanical support layer.
  • the rigidity of the sub-area in question is reduced, so that an optimization of the deflectability of the membrane can also be achieved.
  • the support material that is left out can also be replaced by a material with a lower mechanical rigidity (or a higher modulus of elasticity).
  • the recess of one or more layers can be formed during the coating by a predetermined masking. It can likewise be preferred to provide the cutout by structuring after the coating.
  • an area of weakness characterized by the absence of at least one ply, is present on a horizontal portion. It can also be preferred that such a weakened area is located within a corrugation. i.e. at least one layer (e.g. a support layer, actuator layer, top and/or bottom electrode) is cut out, for example in a corrugation, which is characterized as a depression or elevation in an otherwise essentially planar course of the section.
  • a corrugation e.g. a support layer, actuator layer, top and/or bottom electrode
  • the MEMS transducer is characterized in that the horizontal sections and/or vertical sections are formed in multiple layers and one or more weakened areas are brought about by varying the layer thickness of at least one layer (preferably exactly one layer), with preference being given to the layer thickness of at least one layer to less than 70%, preferably less than 60%, 50%, 40% or reduced to 0% of an initial layer thickness, but the layer thickness of at least one layer of the membrane (preferably all layers except for one layer) is not reduced.
  • the mechanical or functional properties of the membrane in the weakened area are changed in a targeted manner without impairing the integrity of the membrane. Any acoustic disadvantages caused by the provision of continuous openings can therefore be avoided.
  • the preferred layer that remains can be, for example, an actuator layer, a mechanical support layer or a layer comprising a conductive material. Likewise, it can be preferred that only one cover layer remains, preferably comprising a polymer material.
  • the cover layer preferably essentially has the function of avoiding a complete continuous opening of the membrane in the weakened areas, the cover layer preferably being non-conductive and/or not permeable to a fluid in which the sound waves propagate, preferably air.
  • the weakened areas can also be provided as continuous openings, with the layer thickness of all layers being reduced to 0% in some areas.
  • the provision of continuous openings can also reduce the mechanical rigidity of the horizontal sections and/or vertical sections, resulting in improved vibration behavior of the membrane.
  • the MEMS transducer is characterized in that a configuration of the one or more corrugations and/or weakening areas, preferably with regard to a depth, width, layer thickness, geometry and/or number, a rigidity of the horizontal sections and/or vertical sections is adjustable to optimize a vibration behavior of the vertical sections.
  • a rigidity of the vertical sections can be optimized by a design and/or selection of parameters including depth, width, layer thickness, geometry and/or number, in particular adapted depending on the application of the MEMS converter.
  • the stiffness of the vertical sections includes the bending stiffness, i. H. the resistance to bending during horizontal vibration, for example to generate or absorb pressure waves.
  • the reduction in flexural rigidity advantageously results in a higher maximum deflection capability of the vertical sections, so that advantageously higher sound pressure levels with good sound quality can also be generated by a preferred MEMS loudspeaker.
  • the MEMS converter as a MEMS microphone, its sensitivity, recording quality and/or signal-to-noise ratio can advantageously be improved.
  • the membrane comprises a cover layer, preferably in the form of a polymer layer.
  • a polymer layer preferably characterizes a layer of one Polymer material and is particularly preferred in the embodiments in which the other functional layers of the membrane, such as the layers of an actuator material, an electrically conductive material and / or a mechanical support material, are left out.
  • the layer thickness of all layers of the membrane is reduced to 0% of an initial layer thickness, except for the layer thickness of a cover layer, which is preferably a layer comprising a polymer material.
  • the provision of a cover layer is advantageous in that an acoustic short circuit is reliably avoided, regardless of the size of the recesses or openings to be provided.
  • a so-called acoustic short circuit can occur.
  • the acoustic short circuit preferably means a reduction in sound emission in the case of a loudspeaker or a reduction in sound recording in the case of a microphone due to an undesired pressure equalization between a rear side and a front side of the membrane.
  • An acoustic short circuit can occur in particular when emitting or receiving sound in the low-frequency range. Such a pressure equalization for frequencies of desired applications can be avoided by appropriate selection of smaller dimensions of continuous openings.
  • cover layer for example a polymer layer
  • the topsheet may be on a front or on a back of the membrane.
  • a front side preferably means that side of the membrane into which sound is emitted or from which sound waves are detected.
  • the cover sheet extends essentially continuously over the entire surface of the membrane. This means in particular that the design and dimensions of the cover layer are essentially identical to those of the layers of the membrane lying above or below. Consequently, it is preferred that the cover layer is present as a single, preferably continuous, layer on the membrane.
  • the cover layer preferably in the form of a polymer layer, is only present at least in the weakened areas in which the prevention of the acoustic short circuit is desired and is not present in other areas of the membrane where there are no weakened areas . Consequently, it can be preferred that the cover layer does not extend entirely along the membrane, but is attached selectively to cover the weakened areas or openings. In this embodiment, therefore, preferably an interrupted, discontinuous Cover layer are present, but the cover layer is provided at least on the weakened areas of the membrane.
  • the topsheet is provided as a polymeric film, polymeric liquid, or polymeric lacquer.
  • the top layer is preferably impermeable to a fluid in which the sound waves propagate, for example air.
  • the cover layer is therefore preferably impermeable to gas, in order in this way to maintain the acoustic integrity of the membrane and to avoid an acoustic short circuit.
  • the cover layer is not electrically conductive.
  • the cover layer comprises a dielectric material.
  • the top layer comprises a polymer material selected from a group comprising polyvinyl difluoride (PVDF), polymethyl methacrylate (PMMA), parylene and/or SU-8 polyimide.
  • the cover layer has a layer thickness of between 5-100 nm, preferably between 10-80 nm, particularly preferably between 20-60 nm, very particularly preferably between 30-50 nm.
  • the MEMS transducer is characterized in that the introduction of one or more corrugations and/or weakening areas on the horizontal sections and/or vertical sections increases a freedom of rotation of the vertical sections in order to optimize an oscillation behavior of the vertical sections.
  • the mobility can advantageously be increased starting from the connection point of the vertical sections to the horizontal sections.
  • the increase in the freedom of rotation can thus preferably be understood as improved mobility at the suspension point on the horizontal section.
  • the oscillatable membrane is designed as a meander structure, with the meander structure being formed by the vertical sections and horizontal sections.
  • a meander structure preferably designates a structure formed from a sequence of sections that are essentially orthogonal to one another in cross section.
  • the mutually orthogonal sections are preferably vertical and horizontal sections of the oscillatable membrane.
  • the meander structure is particularly preferably rectangular in cross section.
  • the meandering structure has a sawtooth shape (zigzag shape) in cross section or is configured in a curved or wavy manner. This is the case in particular if the vertical sections are not aligned exactly parallel to the vertical emission or detection direction, but enclose an angle of ⁇ 30°, preferably ⁇ 20°, particularly preferably ⁇ 10° with the vertical direction.
  • the meander structure preferably includes structural and/or functional irregularities or inhomogeneities in the form of corrugations and/or weakened areas.
  • the horizontal sections can also not be exactly at an orthogonal angle of 90° to the vertical emission or detection direction but, for example, enclose an angle between 60° and 120°, preferably between 70° and 110°, particularly preferably between 80° and 100°, with the vertical direction.
  • the alignment preferably relates to a tangent to the vertical and/or horizontal sections at their respective midpoints.
  • the corrugations according to the invention preferably define a local deviation (depression or elevation) from an otherwise continuous profile of the (curved) vertical and/or horizontal sections.
  • the meander structure thus preferably corresponds to a membrane folded along the width.
  • an oscillatable membrane can therefore preferably also be referred to as a bellows.
  • the parallel folds of the bellows preferably form the vertical sections.
  • the connecting sections between the pleats preferably form the horizontal sections.
  • the vertical sections are preferably longer than the horizontal sections, for example by a factor of 1, 5, 2, 3, 4 or more.
  • the vertical sections which can also be referred to as lamellae, are decisive.
  • the vertical sections are preferably constructed in multiple layers and form a mechanical bimorph.
  • the vertical sections can each comprise an actuator layer and a passive layer made of a support material and/or two differently controllable actuator layers.
  • the horizontal sections of the folded membrane can preferably be constructed identically to the vertical sections. However, it can also be preferred that the horizontal sections--in contrast to the vertical sections--have no actuator layer, but merely a mechanical support layer and/or an electrically conductive layer.
  • the at least one layer made from an actuator material of the oscillatable membrane is a continuous layer.
  • Continuous preferably means that there are no interruptions in the cross-sectional profile. Accordingly, it is preferred in the embodiment mentioned that there is a continuous layer of actuator material in the vertical as well as in the horizontal sections. Advantageously, therefore, no structuring is necessary.
  • a continuous layer is particularly easy to produce and ensures synchronous actuation when operating a MEMS loudspeaker. With regard to the formation of weakened areas, however, it can also be preferred to introduce interruptions or gaps in an actuator layer in a targeted manner in order to optimize the vibration behavior.
  • the performance of the MEMS converter in particular a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be determined essentially by the number and/or dimensioning of the vertical sections, with particular corrugations and/or weakening areas, as explained above, leading to a particularly defined curvature and Deflectability of the vertical areas lead.
  • the vibratable membrane comprises more than 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 or more vertical sections.
  • the vibratable membrane comprises fewer than 10,000, 5,000, 2,000 or 1,000 or fewer vertical sections.
  • the preferred number of vertical sections leads to a high sound power on the smallest chip surfaces, with an excellent sound pattern and excellent audio quality being achieved in particular by providing the corrugations and/or weakening areas.
  • the vertical and/or horizontal sections are preferably essentially flat, which means in particular that their extent in each of the two dimensions (height, width) of their area is greater than in one dimension perpendicular thereto (thickness).
  • size ratios of at least 2:1, preferably at least 5:1, 10:1 or more can be preferred.
  • corrugations and/or weakened areas preferably define deviations from a two-dimensional plane.
  • the height of the vertical sections preferably corresponds to the dimension along the direction of the sound emission or sound detection.
  • a width preferably designates the dimension along the connecting line between two vertical sections.
  • a thickness of the vertical and/or horizontal sections preferably corresponds to a sum of the layer thicknesses of the one or more layers that form the vertical and/or horizontal sections.
  • the length of the vertical and/or horizontal sections preferably corresponds to a dimension that is orthogonal to the height or width and to the thickness. In the cross-sectional views of the figures below, the height or width and thickness are shown schematically (not necessarily true to scale), while the length dimension corresponds to a (not visible) drawing depth of the figures.
  • the height of the vertical sections is between 10 ⁇ m and 1000 ⁇ m, preferably between 50 ⁇ m and 500 ⁇ m, while the width of the horizontal sections is between 2 ⁇ m and 200 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the thickness of the vertical and/or horizontal sections is between 100 nm and 10 ⁇ m, preferably between 500 nm and 5 ⁇ m and/or the length of the vertical and/or horizontal sections is between 10 ⁇ m and 10 mm, preferably between 100 pm and 1mm.
  • the corrugations or weakened areas have a constant cross section or layer thickness variation in the dimension of length and can therefore also be referred to as grooves or webs.
  • the weakened areas do not represent continuous interruptions in the dimension of the length of the flat membrane. Instead, for example, it may be preferred to use conductor tracks or remaining conductive ones Provide areas that ensure end-side contact and continuous current flow in the top and / or bottom electrode.
  • the cutout of the top and/or bottom electrode can preferably be present essentially along the entire dimension of the length of the membrane, with the cutout being interrupted by thin (eg less than 20 ⁇ m, preferably less than 10 ⁇ m) conductive areas or conductor tracks .
  • a particularly compact MEMS converter in particular MEMS loudspeaker or MEMS microphone, can be provided which simultaneously combines high performance with excellent sound or audio quality.
  • the invention relates to a manufacturing method for a MEMS converter, preferably a MEMS loudspeaker or MEMS microphone, comprising the following steps:
  • Etching of a substrate preferably from a front side, to form a structure, preferably a meander structure, and for the preferred formation of corrugations, optional application of an etch stop,
  • At least two layers with at least a first layer comprising an actuator material and a second layer comprising a mechanical support material or at least two layers comprising an actuator material, with one or more weakened areas preferably being provided in the process of applying the at least two layers or by subsequent etching.
  • the vibratable membrane having vertical sections and horizontal sections, the vertical sections being substantially parallel to the vertical direction are formed and the horizontal sections connect the vertical sections to one another, the vertical sections and/or the horizontal sections having one or more corrugations and/or weakening areas, so that activation of the electrode causes the vertical sections to horizontal vibrations or when the vertical sections are excited an electrical signal can be generated for horizontal vibrations at the electrode.
  • the average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments of the described MEMS converter, preferably MEMS loudspeaker or MEMS microphone, also apply to the described manufacturing method and vice versa.
  • the described manufacturing method preferably serves to provide a MEMS transducer with a folded, oscillatable membrane with a meander structure. Examples of preferred manufacturing steps are shown in Figures 2a-h.
  • the etching of the substrate includes the application of a structure congruent to the meander structure for the membrane to provide vertical and horizontal sections as well as corrugations and/or areas of weakness after a coating.
  • corrugations and / or weakened areas by structuring or a coating can be produced by using a mask. It can also be preferred to provide weakened areas, for example in the form of gaps in at least one layer, by subsequent structuring (etching) of the membrane.
  • a substrate z. B As a substrate z. B. one of the preferred materials mentioned above can be used. During etching, a blank, for example a wafer, can be brought into the desired basic shape of the meander structure. In a next step, the layers for the oscillatable membrane are preferably applied.
  • Applying the at least one layer of a conductive material preferably includes, in addition to applying one layer, also applying a plurality of layers and in particular a layer system.
  • a layer system comprises at least two layers applied to one another in a planned manner.
  • the application of a layer or a layer system preferably serves to define the oscillatable membrane comprising vertical sections which can be excited to horizontal oscillations.
  • a cover layer in the form of a polymer layer can be coated. It can then be preferred to apply the further preferred layers for the membrane and to structure them accordingly in order to provide corrugations and/or weakened areas, in particular openings. Then there is a membrane which, as the bottom layer, has a cover layer, preferably in the form of a polymer layer.
  • the topsheet as the last layer, i. H. as part of a coating as the top layer to apply.
  • the cover layer is preferably applied in the form of a polymer layer as the last layer after layers have been structured in order to apply corrugations and/or weakened areas, in particular openings, to the membrane.
  • a membrane is therefore present which has a polymer layer as the uppermost layer.
  • a cover layer in particular in the form of a polymer layer, has proven to be particularly advantageous for avoiding acoustic short circuits. This is the case in particular if it is preferred to leave out all other layers of a membrane (e.g. actuator layer, mechanical support layer and/or layer comprising a conductive material) in the relevant weakened areas.
  • a membrane e.g. actuator layer, mechanical support layer and/or layer comprising a conductive material
  • the application can preferably be selected from the group consisting of physical vapor deposition (PVD), in particular thermal vaporization, laser beam vaporization, arc vaporization, molecular beam epitaxy, sputtering, chemical vapor deposition (CVD) and/or atomic layer deposition (ALD).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • Etching and/or structuring can preferably be selected from the group comprising dry etching, wet-chemical etching and/or plasma etching, in particular reactive ion etching, reactive ion deep etching (Bosch process).
  • this z. B. by more Etching processes are made. Additional material can also be deposited or doping can be carried out using conventional methods.
  • suitable material such as e.g. B. copper, gold and / or platinum are deposited by common processes.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • electrochemical deposition can preferably be used for this.
  • a finely structured, oscillatable membrane with a desired definition of vertical and horizontal sections can be provided by means of the process steps, which is preferably suspended between two side regions of a stable carrier and has dimensions in the micrometer range.
  • the production steps are part of standard process steps in semiconductor processing, so that they have proven themselves and are also suitable for mass production.
  • FIG. 1 Schematic representation of corrugations on vertical and horizontal
  • FIG. 5 Schematic representation of weakened areas on horizontal sections
  • FIG. 7 Schematic representation of weakened areas by providing cutouts in the top or bottom electrode
  • FIG. 9 Schematic representation of weakened areas by forming continuous openings
  • ti 10 Schematic representation of a preferred embodiment of a MEMS transducer comprising a cover layer in the form of a polymer layer
  • FIG. 1a, b illustrates an oscillatable membrane 1 of a MEMS transducer, which has corrugations 7 on its vertical sections 3 and horizontal sections 5 .
  • FIG. 1a A rectangular cross section of the corrugations 7 is shown in FIG. 1a, while FIG. 1b illustrates a trapezoidal cross section.
  • the oscillating behavior of the oscillatable membrane 1 can be optimized by designing the geometric shape of one or more corrugations 7 .
  • the corrugations 7 lead to a higher degree of rotation of the vertical sections 3, as a result of which a particularly efficient deflectability of the oscillatable membrane is ensured.
  • the corrugations have the advantageous effect that when pressure waves are generated or absorbed, the vertical sections experience a particularly defined curvature (cf. FIG. 1b). A potential occurrence of irregular buckling (, buckling 1 is particularly effectively prevented.
  • FIG. 2 shows preferred method steps for producing an embodiment of a MEMS transducer according to the invention.
  • FIG. 2a illustrates a substrate 9 which was previously etched starting from a front side to form a structure.
  • parallel deep trenches (pockets) were formed in the substrate 9, so that the formed structure represents a bellows or a meander in cross section.
  • elevations or depressions for forming the corrugation were provided in the etching process.
  • etching stop 11 acts as a sacrificial layer and is intended to protect the vertical sections 3 and/or the horizontal sections 5 during etching on the rear side to expose the membrane.
  • a layer of a mechanical support material 17 is applied to the etch stop 9 (FIG. 2c).
  • the mechanical support material 17 can preferably also be a act conductive material, e.g. B. polysilicon, so that the layer of a mechanical support material 17 can act as a bottom electrode at the same time.
  • a middle layer comprising an actuator material 15 is coated onto the layer made of a mechanical support material 17 .
  • the actuator material 15 can preferably be a piezoelectric material, e.g. AlN.
  • FIG. 2 e an upper layer comprising a conductive material 13 is coated, with the upper layer 13 functioning as a top electrode.
  • FIG. 2f shows the application of an electrode pad for contacting the upper layer made of a conductive material 13, which acts as a top electrode, and the lower layer made of a conductive, mechanical support material 17, which acts as a bottom electrode.
  • the substrate 9 is etched from a rear side in order to expose the oscillatable membrane 1 and to form a carrier 2.
  • FIG. The carrier 2 comprises two side areas, between which the oscillatable membrane 1 is arranged in the horizontal direction.
  • the oscillatable membrane 1 is designed as a meander structure, the meander structure being formed by the vertical sections 3 and horizontal sections 5 .
  • the horizontal sections 5 now have corrugations 7 according to the invention, which lead to a significant improvement in the vibration behavior of the membrane 1 capable of oscillating.
  • the arrows drawn in FIG. 2h are used to represent the horizontal vibrations of the vertical sections 3.
  • the freedom of rotation of the vertical sections 3 is increased by the attachment of corrugations 7, so that an optimization of the vibration behavior of the oscillatable membrane 1 can advantageously be achieved.
  • FIG. 3 shows a further preferred embodiment of an oscillatable membrane 1 comprising corrugations 7.
  • the corrugations 7 shown have a round, part-circular cross section.
  • the corrugations 7 are attached to the vertical sections 3 in FIG. 3a.
  • the flexural rigidity is advantageously reduced, so that a higher deflection capacity of the vertical sections 3 can be achieved.
  • FIG. 3 b shows the oscillatable membrane 1 from FIG.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of corrugations 7 on vertical sections 3 and now also at the connection points between horizontal sections 5 and vertical sections 3.
  • FIG. 4a shows an initial position of the vertical sections
  • FIG. 4b shows a deflection of the vertical sections 3, for example by controlling an electrode.
  • the Corrugations 7 ensure a uniform curvature without the risk of irregular buckling occurring.
  • Fig. 5 shows a preferred embodiment for forming weakened areas 19 on horizontal sections 5.
  • the membrane 1 is multi-layered.
  • a lower layer made of a mechanical support material 17 is formed from a conductive material (here: polysilicon), so that the lower layer made of a mechanical support material 17 functions both as a bottom electrode and as a carrier layer at the same time.
  • a middle layer comprising an actuator material 15 (here: aluminum nitride AIN as a piezoelectric layer) and an upper layer comprising conductive material 13 (here: aluminum), which acts as a top electrode.
  • the layer thickness of the central actuator layer 15 is reduced in some areas compared to the initial layer thickness in order to form a weakened area 19.
  • the layer thickness of the lower support layer 17 is reduced in some areas compared to the starting layer thickness in order to form a weakened area 19.
  • Weakening areas 19 can advantageously achieve similar effects with regard to optimizing the vibration behavior of the vertical sections 3 as by applying corrugations.
  • FIGS. 5 a and b illustrate the resulting improved freedom of movement or rotation of the vertical sections 3.
  • FIG. 6 shows the results of a simulation of a vibration behavior of a vertical section 3 when corrugations 7 are attached to adjacent horizontal sections.
  • the freedom of rotation of the vertical sections 3 can be increased by attaching corrugations 7 to horizontal sections 5, resulting in a particularly uniform curvature of the vertical sections 3 without irregular buckling occurring .
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a preferred provision of weakened areas 19 by providing cutouts in the top or bottom electrode.
  • the weakened regions 19 are therefore characterized by a region-wise reduction in a layer thickness of the layer of conductive material 13 (top or bottom electrode) to 0%.
  • the membrane 1 comprises an upper layer made of a conductive material 13, which acts as a top electrode, an actuator layer 15 comprising an actuator material, and a lower layer made of a conductive material 13, which acts as a support layer 17 and bottom electrode at the same time.
  • the weakened area 19 is present in such a way that the conductive material 13 or the top electrode is missing over the area of the corrugation 7 .
  • no electric field or only a reduced electric field can be formed between the top and bottom electrodes in the area in which the top electrode is missing.
  • the actuator layer 15, preferably comprising a piezoelectric material, which is located between the top and bottom electrodes, is therefore not stimulated or actuated in the area of the cutout of the top electrode to change its shape, or to a lesser extent.
  • the reduced actuation therefore results from a local reduction in the piezoelectric effect at the point in question.
  • the vibration behavior of the membrane can advantageously be optimized by increasing the mobility of adjacent vertical sections and/or avoiding undesirable effects such as buckling.
  • FIG. 7b shows a section of a membrane with a corrugation 7 along a horizontal section 5.
  • the membrane comprises an actuator layer 15 comprising an actuator material, which is applied to a layer made of a conductive material 13, which acts as a support layer 17 at the same time.
  • a weakened area 19 is thus provided in such a way that the conductive material 13 or the top electrode is missing not only in the area of the corrugation 7 but also in other areas of the horizontal section 5 .
  • the weakened area 19 is therefore present in such a way that the conductive material 13 or the bottom electrode is missing over the area of the corrugation 7 .
  • the lack of the support layer 17 contributes to a reduction in the rigidity of the diaphragm 1 in this area and allows the vibration behavior to be optimized.
  • the weakened area 19 is present in such a way that the conductive material 13 or the top electrode is missing in the area of the corrugation 7 .
  • a weakened area is provided in such a way that the conductive material 13 or the bottom electrode is missing or left out not only in the area of the corrugation 7, but also in other areas of the horizontal section 5.
  • the gap in the layer of conductive material 13 preferably extends essentially along the dimension of the length of the flat membrane of a drawing depth (not visible in the figures). However, it is preferable to provide strip conductors or remaining conductive areas which ensure end-side contacting and continuous current flow in the top and/or bottom electrode.
  • the cutout of the top and/or bottom electrode can preferably be present essentially along the entire dimension of the length of the membrane, with the cutout being interrupted by thin (less than 20 ⁇ m, preferably less than 10 ⁇ m) conductive areas or conductor tracks.
  • a cross-sectional plane is shown along the dimension of length where the recess is visible.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a preferred provision of weakened areas 19 by providing cutouts in an actuator layer 15.
  • the weakened areas 19 are therefore characterized by a regional reduction in a layer thickness of at least the layer 15 of an actuator material to 0%.
  • a region-wise reduction in the ability to be actuated is thus brought about by structuring the actuator layer 15—for example a piezoelectric actuator layer 15.
  • FIG 8a shows an embodiment in which the horizontal section 5 of the membrane has a weakened area 19 over the area of the corrugation 7, in that an actuator layer 15 along the corrugation 19 is missing.
  • the upper layer of conductive material 13, which acts as a top electrode, is also cut out in this area.
  • FIG. 8b shows a section of a membrane with a corrugation 7 along a horizontal section 5.
  • the membrane comprises only a support layer 17, which is conductive and at the same time acts as a bottom electrode.
  • a weakened area 19 is thus provided in such a way that both the conductive material 13 or the top electrode and the actuator layer 15 are missing not only in the area of the corrugation 7 but also in other areas of the horizontal section 5 .
  • Fig. 8c shows a section of a membrane with a corrugation 7 along a horizontal section 5.
  • the membrane comprises a lower layer made of a conductive material 13, which acts as a bottom electrode and support layer 17, and an upper layer made of a conductive material 13, which forms a top electrode.
  • the actuator layer 15 is missing between the layers of electrically conductive material. Instead, an insulating layer 23 is introduced, which is formed by a dielectric material. In this embodiment as well, the ability to actuate the membrane 1 is reduced in the weakened area 19 . Replacing the actuator layer 15 with an insulating layer 23 advantageously enables the overall thickness of the membrane 15 to be retained. It can also be preferred to ensure mechanical stability of the membrane in the weakened area 19 by the dielectric layer.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of weakened areas 19 by forming through openings 21.
  • Fig. 9a the cross section of a MEMS transducer is shown, which has a membrane 1 comprising vertical sections 3 and horizontal sections 5.
  • the membrane 1 extends in the horizontal direction along a support 2 on which the membrane 1 is suspended.
  • the membrane 1 comprises a conductive support layer 17, which simultaneously acts as a bottom electrode, an actuator layer 15 and an upper layer of conductive material 13 located thereon, which serves as a top electrode.
  • dashed lines are also drawn in on the horizontal sections 5 , which are intended to symbolize that there are continuous openings as weakened areas 19 at these points in the horizontal sections 5 .
  • the weakened areas 19 are therefore provided by reducing the layer thickness of all layers to 0% in some areas.
  • FIG. 9b shows a plan view of the MEMS transducer, where it can be seen that weakening areas 19 in the form of openings 21 are lined up in a row along the dimension of the length of the horizontal section 5.
  • the provision of openings 21 can therefore also locally reduce the rigidity of the horizontal sections and/or vertical sections in order to optimize the vibration behavior of the membrane 1 .
  • the desired extent of the reduction in rigidity can be set in particular by the geometric shape of the openings 21 and/or the number of openings 21 .
  • the membrane 1 comprises a conductive support layer 17, which also acts as a bottom electrode, an actuator layer 15 and an upper layer of conductive material 13 located thereon, which serves as a top electrode.
  • the weakened regions 19 are provided by a region-wise reduction in the layer thickness of all layers comprising an actuator material, a conductive material or a support material to 0% of an initial thickness. Consequently, the weakened areas 19 are present as gaps in all the layers 13, 15 and 17 of the membrane 1.
  • the membrane 1 comprises a cover layer 25, preferably in the form of a polymer layer.
  • a cover layer 25, preferably in the form of a polymer layer is advantageous in that an acoustic short circuit is reliably avoided, regardless of the size of the recesses or openings to be provided.
  • a so-called acoustic short circuit can occur.
  • the acoustic short circuit preferably means a reduction in the sound emission in the case of a loudspeaker or sound recording in the case of a microphone due to an undesired pressure equalization between a rear side and a front side.
  • An acoustic short circuit can occur in particular when emitting or receiving sound in the low-frequency range. Such a pressure equalization for the frequencies of desired applications can be avoided by appropriate selection of small dimensions of the openings.
  • cover layer 25 for example in the form of a polymer layer, advantageously avoids the occurrence of an acoustic short circuit, even for openings of any size. This increases the design flexibility with regard to providing weakened areas, which are provided as openings through all layers comprising an actuator material, a support material or an electrically conductive material.
  • the cover layer 25 is attached to a front side of the membrane 1 .
  • the cover layer 25 could also be attached to a rear side of the membrane 1.
  • the cover layer 25 extends essentially completely along the membrane 1.
  • the cover layer could also be present as an interrupted, discontinuous layer, in which, however, at least one covering of the weakened areas 19 is ensured.
  • cover layer preferably in the form of a polymer layer

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Abstract

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen MEMS-Wandler, welcher eine schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen in eine vertikale Emissionsrichtung umfasst, wobei die schwingfähige Membran von einem Träger gehalten wird und die schwingfähige Membran vertikale Abschnitte aufweist, welche im Wesentlichen parallel zur Emissionsrichtung oder Aufnahmerichtung ausgebildet sind und mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial umfassen. Die schwingfähige Membran liegt bevorzugt endseitig mit einer Elektrode kontaktiert vor, sodass durch Steuerung der Elektrode die vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen anregbar sind oder sodass bei Anregung der vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der Elektrode ein elektrisches Signal erzeugbar ist. Dabei weisen die vertikalen Abschnitte und/oder die horizontalen Abschnitte eine oder mehrere Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche auf. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen MEMS-Wandlers.

Description

Korrugationen oder Schwächungsbereiche auf Ankerstrukturen von vertikalen MEMS-Wandler-Membranen
BESCHREIBUNG
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen MEMS-Wandler, welcher eine schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen in eine vertikale Emissionsrichtung umfasst, wobei die schwingfähige Membran von einem Träger gehalten wird und die schwingfähige Membran vertikale Abschnitte aufweist, welche im Wesentlichen parallel zur Emissionsrichtung oder Aufnahmerichtung ausgebildet sind und mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial umfassen. Die schwingfähige Membran liegt bevorzugt endseitig mit einer Elektrode kontaktiert vor, sodass durch Steuerung der Elektrode die vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen anregbar sind oder sodass bei Anregung der vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der Elektrode ein elektrisches Signal erzeugbar ist. Dabei weisen die vertikalen Abschnitte und/oder die horizontalen Abschnitte eine oder mehrere Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche auf.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen MEMS-Wandlers.
Hintergrund und Stand der Technik
Für die Herstellung kompakter, mechanisch-elektronischer Vorrichtungen wird heute auf vielen Anwendungsgebieten auf die Mikrosystemtechnik zurückgegriffen. Die so herstellbaren Mikrosysteme (englisch microelectromechanical system, kurz MEMS) sind sehr kompakt (ca. im Mikrometerbereich) bei gleichzeitig hervorragender Funktionalität und immer geringeren Herstellungskosten.
Aus dem Stand der Technik sind auch MEMS-Wandler, wie beispielsweise MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Mikrofone, bekannt. Derzeitige MEMS-Lautsprecher werden zumeist als planare Membransysteme ausgeführt mit einer vertikalen Aktuierung einer schwingfähigen Membran in Emissionsrichtung. Die Anregung erfolgt beispielsweise mittels piezoelektrischer, elektromagnetischer oder elektrostatischer Aktuatoren.
In Zou, Zhijian & Litian (1996) wird ein kapazitives MEMS-Mikrofon umfassend eine dünne, flexible Membran als aktive Elektrode und eine rigide Rückplatte als stationäre Elektrode offenbart. Zur Optimierung der mechanischen Empfindlichkeit der Membran werden Korrugationen angebracht, die durch flache Abschnitte (bridges) miteinander verbunden werden. Durch die Einbringung der Korrugationen soll insbesondere ein intrinsischer Stress in der Membran reduziert werden. Auch in der CN 112492487 wird ein kapazitives MEMS-Mikrofon offenbart. Dabei soll ein unerwünschtes Verkleben zwischen der Membran und einer Rückplatte verhindert werden. Dazu liegt an der Membran ein Abschnitt umfassend Protrusionen vor, um ein Verkleben zu verhindern und dadurch eine langanhaltende Funktionstauglichkeit gewährleisten zu können. Ein elektromagnetischer MEMS-Lautsprecher für mobile Geräte wird in Shahosseini et al. 2015 beschrieben. Der MEMS-Lautsprecher weist eine versteifende Silizium-Mikrostruktur als Schallstrahler auf, wobei der bewegliche Teil an einem Träger über Silizium-Triebfedern aufgehangen wird, um große Verschiebungen mittels eines elektromagnetischen Motors aus der Ebene zu ermöglichen.
Stoppel et al. 2017 offenbart einen Zwei-Wege-Lautsprecher, dessen Konzept auf konzentrisch piezoelektrischen Aktuatoren basiert. Als eine Besonderheit ist die Schwingungsmembran nicht geschlossen ausgeführt, sondern umfasst acht piezoelektrische unimorphe Aktoren, die jeweils aus einer piezoelektrischen und einer passiven Schicht bestehen. Die äußeren Tieftöner bestehen aus vier einseitig eingespannten Aktuatoren mit Trapezform, während die inneren Hochtöner durch vier dreieckige Aktuatoren gebildet werden, welche mittels Federn mit einem starren Rahmen verbunden sind. Die Trennung der Membran soll ein verbessertes Klangbild bei höherer Leistung erlauben.
Nachteilig an derartigen planaren MEMS-Lautsprechern ist deren Limitierung in Bezug auf die mögliche Schallleistung, insbesondere bei tiefen Frequenzen. Ein Grund hierfür liegt darin, dass der erzeugbare Schalldruckpegel proportional zum Quadrat der Frequenz für eine vorgegebene Auslenkung ist. Für hinreichende Schallleistungen sind daher entweder Auslenkungen für die Schwingungsmembranen von mindestens 100 pm oder großflächige Membranen im Quadratzentimeterbereich notwendig. Beide Bedingungen sind mittels einer MEMS-Technologie nur schwer zu realisieren.
Im Stand der Technik wurde daher vorgeschlagen, MEMS-Lautsprecher zu konzipieren, welche nicht eine geschlossene Membran zu Schwingungen in vertikaler Emissionsrichtung aufweisen, sondern eine Vielzahl von beweglichen Elementen, die zu lateralen bzw. horizontalen Schwingungen angeregt werden können. Vorteilhaft hieran ist, dass auf kleiner Fläche ein vergrößerter Volumenstrom bewegbar und somit eine erhöhte Schallleistung bereitgestellt werden kann.
Ein auf diesem Prinzip basierender MEMS-Lautsprecher wird beispielsweise in der US 2018 / 0179048 A1 bzw. Kaiser et al. 2019 offenbart.
Der MEMS-Lautsprecher umfasst eine Mehrzahl von elektrostatischen Biegeaktuatoren, welche zwischen einem Deckel- und Boden-Wafer als vertikale Lamellen angeordnet vorliegen und durch entsprechende Steuerung zu lateralen Schwingungen angeregt werden können. Hierbei bildet eine innere Lamelle eine Aktuatorelektrode gegenüber zwei äußeren Lamellen. Bis auf einen Verbindungsknoten von weiterhin galvanisch getrennten Elektroden besteht ein Luftspalt zwischen den gebogenen drei Lamellen. Liegt ein Potential innen gegen außen an, führt dies zu einer beidseitigen Anziehung aufgrund der Wölbung des Designs in Richtung einer Vorzugsrichtung, welche durch einen Anker vorgegeben ist. Die Ausbuchtungen der äußeren Lamellen dienen der Beweglichkeit. Die Rückstellkraft ist durch eine mechanische Federkraft gegeben. Ein pull-push Betrieb ist somit nicht möglich.
Nachteilig ist zudem, dass Spalten zwischen den Biegeaktuatoren und den Deckel/Boden- Wafern, welche für deren Beweglichkeit notwendig sind, zu einer Ventilation zwischen beiden Kammern führen. Hierdurch erfährt die untere Grenzfrequenz eine Begrenzung. Weiterhin ist die laterale Bewegung der Biegeaktuatoren und mithin die Schallleistung eingeschränkt, um einen pull-in Effekt und akustischen Durchschlag zu vermeiden.
Die US 2017/0006381 A1 offenbart einen MEMS-Schallwandler umfassend eine mehrschichtige piezoelektrische Membran, welche zwischen einem Trägersubstrat aufgehangen vorliegt. Durch die Bereitstellung einer Zwischenschicht zwischen zwei Piezoschichten soll der piezoelektrische Effekt und damit die Performance des Wandlers als Mikrofon oder Lautsprecher verstärkt werden. Die Membran ist derart strukturiert, dass mehrere Aussparungen vorliegen, an denen sich keine Piezoschicht befindet. Ferner weist die Membran Einbuchtungen auf, welche unterschiedliche Tiefen haben, sodass die Piezoschichten über eine jeweilige obere und untere Elektrodenschicht angeregt und/oder elektronische Signale abgegriffen werden können.
Durch die Aussparungen soll ein größerer Hub in z-Richtung und damit ein höherer Schalldruck erreicht werden können. Die Membran ist derart strukturiert, dass in einer Draufsicht ein mäanderförmiges Muster mit aktiven piezoelektrischen Bereichen und passiven piezoelektrischen Bereichen vorliegt. Die aktiven piezoelektrischen Bereiche (25a-d) weisen vorzugsweise eine Ankerung zum Träger am äußeren Ende der Membran sowie ein freies Ende in Richtung des Zentrums der Membran auf, sodass eine Bewegbarkeit bzw. Wölbung der Membran in einer out- of-plane bzw. z-Richtung ermöglicht wird.
Ein alternatives Luftpuls- oder Schallerzeugungssystem auf MEMS-Basis wird in der US 2019 / 011 64 17 A1 beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Vorder- sowie Rückkammer und eine Mehrzahl von Ventilen, wobei Vorder- und Rückkammer mittels einer gefalteten Membran voneinander getrennt sind. In einer Ausführungsform weist die gefaltete Membran im Querschnitt eine rechteckige Mäanderstruktur mit horizontalen und vertikalen Abschnitten auf. Auf den jeweiligen horizontalen Abschnitten sind Piezoaktuatoren positioniert, um durch eine synchronisierte Dehnung oder Stauchung der horizontalen Abschnitte eine laterale Bewegung der vertikalen Abschnitte zu bewirken. Bei dem vorgeschlagenen Prinzip kann ebenfalls auf einer kleinen Chip-Oberfläche ein vergrößerter Volumenstrom und somit eine höhere Schallleistung generiert werden.
Nachteilig ist jedoch der erhöhte Aufwand für den synchronisierten Antrieb der Piezoaktuatoren. Auch besteht ein Verbesserungspotential in Bezug auf das durch die lateralen Schwingungen verdrängte Volumen, welche durch die geometrische Anordnung der einseitig aktuierten horizontalen Abschnitte begrenzt ist.
In der WO 2021 / 144400 A1 wird ein MEMS-Wandler offenbart, der sowohl als MEMS- Lautsprecher als auch als MEMS-Mikrofon eingesetzt werden kann. Der darin beschriebene MEMS-Wandler weist eine schwingfähige Membran auf, die derart aufgebaut ist, dass sie zwei oder mehr vertikale Abschnitte umfasst, welche im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind. Weiterhin umfasst die schwingfähige Membran mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial und ist zumindest mit einer Elektrode endseitig kontaktiert. Hierdurch können über eine Ansteuerung der Elektrode die vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt werden. Umgekehrt kann auch bei einer Anregung der vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden.
Der in der WO 2021 / 144400 A1 offenbarte MEMS-Wandler weist deutliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik auf. Die Gestaltung der schwingfähigen Membran umfassend die vertikalen Abschnitte führt im Falle eines MEMS-Lautsprechers vorteilhaft zu einer höheren Schallleistung, wobei die Kontaktierung gleichzeitig eine vereinfachte Ansteuerbarkeit gewährleistet. Auch im Falle eines MEMS-Mikrofons wird vorteilhaft eine höhere Leistungsfähigkeit sowie Audioqualität mit einem geeigneten Klangbild ermöglicht. Zudem kann für die Herstellung des MEMS-Wandlers auf bewährte Prozesse der Halbleiterprozessierung zurückgegriffen werden, sodass eine kosteneffiziente Produktion ermöglicht wird.
Auch wenn der in der WO 2021 / 144400 A1 offenbarte MEMS-Wandler eine fortschrittliche Weiterentwicklung des Standes der Technik darstellt, liegt in Bezug auf die Leistungsfähigkeit und das Klangverhalten ein Potential an Optimierung vor.
Im Lichte des Standes der Technik besteht mithin weiterhin ein Bedarf an der Bereitstellung verbesserter MEMS-Wandler bzw. Verfahren zu deren Herstellung.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen MEMS-Wandler sowie ein Verfahren zur Herstellung des MEMS-Wandlers bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen. Insbesondere war es eine Aufgabe der Erfindung, einen MEMS-Wandler mit hoher Leistungsfähigkeit und Klangqualität zur Verfügung stellen, welcher sich gleichzeitig durch einen einfachen, kostengünstigen und kompakten Aufbau auszeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung bevorzugt einen MEMS-Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids umfassend einen Träger und eine schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung, welche an dem Träger befestigt und mit mindestens einer Elektrode kontaktiert vorliegt, wobei die schwingfähige Membran vertikale Abschnitte und horizontale Abschnitte aufweist, wobei die vertikalen Abschnitte im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und die horizontalen Abschnitte die vertikalen Abschnitte miteinander verbinden, sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode die vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen anregbar sind oder sodass bei Anregung der vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der Elektrode ein elektrisches Signal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Abschnitte und/oder die horizontalen Abschnitte eine oder mehrere Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche aufweisen.
Der MEMS-Wandler kann in bevorzugten Ausführungsformen ein MEMS-Lautsprecher oder ein MEMS-Mikrofon sein. Durch die Konstruktionsweise des MEMS-Wandlers kann gleichermaßen für die Anwendung als MEMS-Lautsprecher sowie als MEMS-Mikrofon eine Reihe von Vorteilen erzielt werden.
Insbesondere kann ein MEMS-Lautsprecher mit hoher Schalleistung und vereinfachter Ansteuerung erhalten werden. Im Gegensatz zu bekannten planaren MEMS-Lautsprechen muss die schwingfähige Membran selbst nicht über eine große Fläche von mehreren Quadratzentimeter oder mit einer hohen Auslenkung betrieben werden, um einen ausreichenden Schalldruck zu erzeugen. Stattdessen kann die Mehrzahl der vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran mit kleinen horizontalen bzw. lateralen Bewegungen von wenigen Mikrometer ein vergrößertes Gesamtvolumen in vertikaler Emissionsrichtung bewegen.
Gleichzeitig kann eine vereinfachten Ansteuerung erreicht werden. Während im Stand der Technik, wie u.a. in der US 2019 / 011 64 17 A1 , eine Vielzahl von piezoelektrischen Aktuatoren an den horizontalen Abschnitten kontaktiert werden müssen, kann der hier beschriebene MEMS- Lautsprecher mittels mindestens einer vorzugsweise endseitigen Elektrode betrieben werden. Dies reduziert den Herstellungsaulwand, minimiert Fehlerquellen und führt zudem inhärent zu einer synchronen Steuerung der vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen.
Auf diese Weise können die Luftvolumina, welche zwischen den vertikalen Abschnitten vorliegen, überaus präzise durch die horizontalen Schwingungen entlang der vertikalen Emissionsrichtung bewegt werden.
Ebenso wird auf diese Weise die Bereitstellung eines besonders leistungsstarken MEMS- Mikrofones mit hoher Audioqualität ermöglicht. Der Aufbau des MEMS-Mikrofons ähnelt strukturell dem des MEMS-Lautsprechers insbesondere im Hinblick auf die Ausgestaltung der schwingfähigen Membran. Anstelle einer Ansteuerung der Elektroden zur Erzeugung von horizontalen Schwingungen und mithin Schalldruckwellen, ist das MEMS-Mikrofon jedoch dafür ausgelegt, Schalldruckwellen in selbiger vertikaler Richtung aufzunehmen. Bevorzugt liegen zwischen den vertikalen Abschnitten mithin Luftvolumina vor, welche bei der Aufnahme von Schallwellen entlang einer vertikalen Detektionsrichtung bewegt werden. Durch die Schalldruckwellen werden die vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt, sodass das Aktuatormaterial ein entsprechendes periodisches elektrisches Signal erzeugt.
Bevorzugt umfasst der MEMS-Wandler eine im Wesentlichen durchgängige Aktuatorlage umfassend ein Aktuatormaterial. Insbesondere verläuft die Aktuatorlage entlang der vertikalen Abschnitte und der horizontalen Abschnitte der Membran. Mithin ist es bevorzugt, dass die vertikalen und horizontalen Abschnitte ein Aktuatormaterial umfassen. Eine im Wesentlichen durchgängige Aktuatorlage meint vorzugsweise, dass die Aktuatorlage lediglich durch Korrugation und/oder Schwächungsbereiche unterbrochen ist, aber ansonsten über die gesamte Fläche der schwingfähigen Membran vorliegt. Wie hierein im Detail erläutert, dient die Aktuatorlage vorzugsweise der Anregung der Membran zu Schwingungen (im Falle eines Lautsprechers) oder Detektion von Schwingungen der Membran (im Falle eines Mikrofons), wodurch sich das Anregungs- bzw. Messprinzip deutlich von kapazitiven MEMS-Wandlern unterscheidet. Für das Schwingverhalten der Membran haben sich sowohl im Hinblick auf Anwendungen als MEMS-Lautsprecher als auch als MEMS-Mikrofon die Anbringung von Korrugationen und/oder von Schwächungsbereichen an den vertikalen und/oder horizontalen Abschnitten als überaus vorteilhaft erwiesen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche eine höheren Rotationsgrad der vertikalen Abschnitte ermöglichen, wodurch eine besonders effiziente Auslenkbarkeit der Membran während der Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids gewähreistet wird. Insbesondere führen die Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche dazu, dass bei der Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen die vertikalen Abschnitte eine besonders definierte Wölbung erfahren und potentiell unregelmäßige Knickungen (, buckling1) besonders wirksam verhindert werden.
Bei der Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen können die vertikalen Abschnitte mithin noch effektiver zu horizontalen Schwingungen angesteuert oder angeregt werden, um die Leistungsfähigkeit des MEMS-Wandlers zu optimieren.
Diesbezüglich ist es von weiterem Vorteil, dass die Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche höhere Amplituden der horizontalen Schwingungen der vertikalen Abschnitte erlauben.
Hierdurch kommt es beispielsweise im Falle eines MEMS-Lautsprechers zu einer höheren Verdrängung des Fluidvolumens zwischen den vertikalen Abschnitten, wodurch eine Steigerung des erzeugten Schalldruckpegels ermöglicht wird. Mithin wird eine weitere Verbesserung in Bezug auf die Schallleistung, insbesondere auf den Schalldruckpegel gegenüber vorherigen Ansätzen erlangt. Entsprechend kann im Falle eines MEMS-Mikrofons mehr Fluidvolumen zwischen den vertikalen Abschnitten aufgenommen werden und eine Sensitivität des Schalldetektors erhöht werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass eine besonders gleichmäßige Wölbung der vertikalen Abschnitte in beiden Richtungen der horizontalen Schwingungen ermöglicht wird. Hierdurch können harmonische Verzerrungen, insbesondere die THD (englisch total harmonic disorder) verringert werden. Die THD gibt bevorzugt das Verhältnis der summierten Leistungen aller Oberschwingungen zur Leistung der Grundschwingung einer schwingfähigen Membran an. Folglich wird durch eine Verringerung der THD die Summe der Oberschwingungen und mithin Verzerrungen des Messsignals oder des erzeugbares Signales verringert. Ein besonders gutes Klangbild resultiert sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Erzeugung von Druckwellen des Fluids.
Durch die Einbringung von Unregelmäßigkeiten in Form von Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen in die schwingfähige Membran wird mithin auf überraschende Weise deren Schwingungsverhalten nicht verzerrt, sondern vielmehr harmonisiert.
Die vorteilhaften Wirkungen können teilweise darauf zurückgeführt werden, dass mittels der Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche eine Steifigkeit der jeweiligen Abschnitte der schwingfähigen Membran einstellbar ist. Beispielsweise wurde erfindungsgemäß erkannt, dass zu steif ausgebildete horizontale Abschnitte die Beweglichkeit der vertikalen Abschnitte nachteilig behindern und zu Unregelmäßigkeiten in deren Auslenkung bzw. Wölbung während horizontaler Schwingungen führen können. Durch eine gezielte Positionierung von Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen, insbesondere in den horizontalen Abschnitten, wird deren Steifigkeit verringert und eine Auslenkbarkeit bzw. Rotationsfreiheit der vertikalen Abschnitte gesteigert.
So kann vorteilhaft durch eine Ausgestaltung der Korrugationen und/oder der Schwächungsbereiche, insbesondere hinsichtlich Geometrie, Breite und/oder Tiefe, die Steifigkeit und damit die Auslenkbarkeit eingestellt und je nach Anwendungszweck angepasst werden.
Dabei wurde festgestellt, dass sowohl Korrugationen als auch Schwächungsbereiche die obig erläuterten vorteilhaften technischen Effekte zur Folge haben. Mithin kann neben einer Ausgestaltung der Korrugationen auch durch bevorzugte Ausführungsformen der Schwächungsbereiche, beispielsweise hinsichtlich einer Variation von Schichtdicken, Anzahl oder Positionierung, das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Membran des MEMS- Wandlers optimiert werden.
Darüber hinaus ist die Bereitstellung von Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen mit bekannten Techniken, Prozessschritten und/oder Verfahren der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik möglich, die sich im Stand der Technik als besonders effektiv etabliert haben. Damit ist die Applikation von Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen an den vertikalen und/oder horizontalen Abschnitten vorteilhafterweise prozesseffizient möglich.
Eine Korrugation bezeichnet bevorzugt eine Abweichung von einem Verlauf eines Teilabschnitt der schwingfähigen Membran, wobei es sich vorzugsweise um eine Vertiefung oder Erhebung in einem ansonsten im Wesentlichen planplanaren Verlauf des Teilabschnitts handelt. In einer Querschnittsansicht der schwingfähigen Membran kennzeichnet eine Korrugation vorzugsweise eine Abweichung von einem kontinuierlichen, vorzugsweise geradlinigen Verlauf eines Teilbereiches (z.B. eines horizontalen und/oder vertikalen Teilbereiches). So kann beispielsweise mit einer Korrugation eine Rille bzw. Furche oder ein Steg gemeint sein, d. h. insbesondere eine Vertiefung oder Erhebung in den vertikalen und/oder den horizontalen Abschnitten. Diese Korrugationen, können eine Vielzahl von Ausgestaltungen hinsichtlich Geometrie, Tiefe, Breite und/oder Aspektverhältnis haben.
Ein Schwächungsbereich bezeichnet bevorzugt eine Verringerung einer Dicke einer Lage bzw. einer Schicht der schwingfähigen Membran. Bevorzugt beziehen sich Schwächungsbereiche auf Dicken der Lagen, welche die vertikalen und/oder die horizontalen Abschnitte bereitstellen. Beispielsweise können die horizontalen Abschnitte und/oder vertikalen Abschnitte mehrlagig ausgebildet sein und wobei eine oder mehrere Schwächungsbereiche durch eine Variation der Schichtdicke mindestens einer Lage bewirkt wird. Bevorzugt wird die Schichtdicke der mindestens einen Lage (z. B. einer Aktuatorlage, der Lage einer elektrisch leitfähigen Schicht bzw. einer Top- oder Bottom-Elektrode oder einer mechanischen Stützschicht) auf weniger als 70%, vorzugweise weniger als 60%, 50%, 40% oder weniger einer Ausgangsschichtdicke reduziert. Ein Schwächungsbereich kann auch durch eine Reduzierung einer Schichtdicke mindestens einer Lage auf 30 %, 20 % oder 10% oder weniger einer Ausgangsschichtdicke meinen. Die Begriffe „Schicht“ und „Lage“ können im erfindungsgemäßen Kontext synonym verwandt werden. Eine Korrugation und/oder ein Schwächungsbereich liegt vorzugsweise in den vertikalen und/oder horizontalen Abschnitten vor, wobei vorzugsweise auch mehrere Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche entlang eines Abschnittes vorliegen können.
Ebenfalls kann es bevorzugt sein, dass ein Schwächungsbereich einer Reduktion einer Schichtdicke mindestens einer Lage auf 0 % einer Ausgangsschichtdicke entspricht. So kann es bevorzugt sein, dass ein Schwächungsbereich durch das Fehlen der mindestens einen Lage in einem Teilbereich der Membran gekennzeichnet ist. Vorzugsweise ist ein Schwächungsbereich durch eine Reduzierung einer Schichtdicke mindestens einer Lage (in einigen Ausführungsformen auf 0 %) gekennzeichnet, wobei mindestens eine andere Lage in dem Schwächungsbereich keine Reduktion der Schichtdicke gegenüber einer Ausgangsschichtdicke aufweist. In einigen Ausführungsformen kann ein Schwächungsbereich jedoch auch durch eine Reduzierung der Schichtdicke sämtlicher Lagen der Membran gekennzeichnet sein, bis hin zum Fehlen sämtlicher Lagen in einem Teilbereich. Im letzteren Fall wird ein Schwächungsbereich bevorzugt durch eine Öffnung in der Membran gebildet.
Weiterhin kann es auch bevorzugt sein, dass ein Schwächungsbereich sich durch einen Austausch der mindestens einen Lage gegen eine andere Lage (d.h. eine Lage umfassend ein anderes Material) auszeichnet. Beispielsweise kann ein Schwächungsbereich dadurch gebildet werden, dass ein Aktuatormaterial in einem Teilbereich gegen ein Nicht-Aktuatormaterial oder Isolationsmaterial, bevorzugt eine Isolationsschicht bzw. Isolationslage, ausgetauscht wird. Wie im Folgenden detaillierter aufgezeigt, kann ein Schwächungsbereich mithin sowohl durch eine Schwächung der mechanischen Eigenschaften eines Teilbereiches (z. B. Reduktion einer Steifigkeit) als auch durch eine Schwächung einer funktionellen Eigenschaft, z. B. der Fähigkeit, zu einer Formänderung durch Anlegen eines Signales angeregt zu werden.
Bevorzugt können Schwächungsbereiche und Korrugationen in Kombination miteinander an der Membran vorliegen. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass ein Schwächungsbereich entlang eines Teilabschnitts der Membran vorliegt, an dem ebenfalls eine Korrugation angebracht ist, wobei der Teilabschnitt beispielsweise ein vertikaler und/oder ein horizontaler Abschnitt der Membran ist. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass ein Schwächungsbereich an bzw. innerhalb einer Korrugation vorliegt. D. h. es kann bevorzugt sein, dass innerhalb einer Korrugation ein Schwächungsbereich beispielsweise in Form der Reduktion einer Schichtdicke mindestens einer Lage gegenüber einer Ausgangsschichtdicke (in einigen Fällen auf 0 %) vorliegt. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass eine Korrugation innerhalb eines Schwächungsbereiches vorliegt. D. h. der Schwächungsbereich kann sich beispielsweise über einen Teilabschnitt der Membran erstrecken, wobei zusätzlich innerhalb des geschwächten Teilabschnittes eine Korrugation, wie obig beschrieben, eingebracht ist.
Sowohl Schwächungsbereiche als auch Korrugationen zeichnen sich bevorzugt dadurch aus, dass sie hinsichtlich der funktionellen und/oder mechanischen Eigenschaften der Teilabschnitte der schwingfähigen Membran eine Abweichung bzw. Inhomogenität darstellen, welche jedoch bewusst eingebracht wird. Die Erfinder haben erkannt, dass durch gezielte Einbringung von Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen in horizontale und/oder vertikale Abschnitte eine Auslenkbarkeit der vertikalen Abschnitte und damit das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Membran erheblich verbessert werden kann. Vorzugsweise zeichnet sich ein Schwächungsbereich mithin durch eine Veränderung von funktionellen und/oder mechanischen Eigenschaften eines Teilabschnitts bzw. Teilbereiches der Membran aus.
Mit einer funktionellen Eigenschaft kann bevorzugt eine Anpassung der Aktuierbarkeit des Teilabschnitts gemeint sein, sodass insbesondere am Schwächungsbereich ein schwächere Aktuierung erfolgt als an Teilabschnitten der Membran, die keinen Schwächungsbereich aufweisen. Zu diesem Zweck kann es bevorzugt sein, dass im Schwächungsbereich die Schichtdicke der Aktuatorlage reduziert wird oder gänzlich fehlt. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass eine für die Ansteuerung der Aktuatorlage notwendig Lage, wie beispielsweise eine Lage eines leitfähigen Materials, bereichsweise fehlt oder nur reduziert vorliegt.
Im Falle einer Aktuatorlage, welche aus einem piezoelektrischen Material gebildet wird, kann eine schwächere Aktuierbarkeit beispielsweise durch die Verringerung des Auftretens eines piezoelektrischen Effektes an einem Teilabschnitt der Membran gewährleistet werden. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, in dem Teilabschnitt zwischen einer piezoelektrischen Aktuatorlage eine dielektrische Isolationsschicht einzubringen oder eine ansteuernde Top- oder Bottom-Elektrode bereichsweise auszulassen. Während der Anregung der Membran zu Schwingungen wird die Aktuatorlage mithin im Schwächungsbereich keine oder nur eine verringerte Spannungs- oder Formänderung erfahren. Durch eine derart bewusst eingebrachte Unregelmäßigkeit in der Aktuierung der Bereiche kann das Auftreten eines Buckling oder anderer Verzerrungen überraschend effektiv verhindert werden. Insbesondere die vertikalen Abschnitte können eine erhöhte Beweglichkeit aufweisen und harmonisch - ohne Verzerrung - schwingen.
Ebenso kann sich ein Schwächungsbereich durch eine Veränderung, insbesondere eine Verringerung, mechanischer Eigenschaften der Membran im betreffenden Teilabschnitt auszeichnen. Mit den mechanischen Eigenschaften ist beispielsweise eine Steifigkeit gemeint, d. h. einer Eigenschaft einer Formänderung mechanisch zu widerstehen. Vorzugsweise können mechanische Eigenschaften eines Schwächungsbereiches beispielsweise durch eine Verringerung der Schichtdicke einer mechanischen Stützlage bewirkt werden oder durch den Austausch einer Lage eines mechanischen Stützmaterials gegen ein Material mit einer geringeren Steifigkeit (bzw. eines höheren Elastizitätsmodules) gekennzeichnet sein. Die bereichsweise Schwächung der mechanischen Eigenschaften, wie einer Steifigkeit der Membran, führt vorteilhaft ebenfalls zur einer Optimierung des Auslenkungsverhaltens der Membran, in dem die Beweglichkeit der vertikalen Abschnitte erhöht und unerwünschte Effekte wie ein Buckling vermieden werden.
Die Richtungsangaben vertikal und horizontal hinsichtlich des MEMS-Wandlers bzw. der Membran beziehen sich bevorzugt auf eine Vorzugsrichtung, in welcher die schwingfähige Membran zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids ausgerichtet ist. Bevorzugt ist die schwingfähige Membran horizontal zwischen mindestens zwei Seitenbereichen eines Trägers aufgehangen, während die vertikale Richtung (Interaktionsrichtung mit dem Fluid) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen orthogonal dazu vorliegt.
In bevorzugten Ausführungsformen stellt der MEMS-Wandler ein MEMS-Lautersprecher oder ein MEMS-Mikrofon dar. Unter dem Begriff MEMS-Wandler ist somit sowohl ein MEMS-Mikrofon als auch ein MEMS-Lautsprecher zu verstehen. Allgemein bezeichnet der MEMS-Wandler einen Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids, der auf MEMS-Technologie basiert und dessen Strukturen zur Interaktion mit dem Volumenstrom bzw. zur Aufnahme oder Erzeugung von Druckwellen des Fluids eine Dimensionierung im Mikrometerbereich (1 pm bis 1000 pm) aufweisen. Bei dem Fluid kann es sich sowohl um ein gasförmiges als auch um ein flüssiges Fluid handeln. Die Strukturen des MEMS-Wandlers, insbesondere der schwingfähigen Membran, sind zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids ausgelegt.
Beispielsweise kann es sich, wie im Falle eines MEMS-Lautsprechers oder MEMS-Mikrofons, um Schalldruckwellen handeln. Der MEMS-Wandler kann sich aber ebenso als Aktuator oder Sensor für andere Druckwellen eignen. Der MEMS-Wandler ist somit bevorzugt ein Gerät, welches Druckwellen (z. B. akustische Signale als Schallwechseldrücke) in elektrische Signale umwandelt oder umgekehrt (Umwandlung elektrischer Signale in Druckwellen, beispielsweise akustische Signale).
Im Falle eines MEMS-Lautsprechers entspricht die vertikale (Interaktions-)Richtung der vertikalen Schallemissionsrichtung des MEMS-Lautsprechers. Vertikal meint in dem Fall bevorzugt die Richtung der Schallemission, während horizontal eine dazu orthogonale Richtung meint.
Im Falle eines MEMS-Mikrofons entspricht die vertikale (Interaktions-)Richtung der vertikalen Schalldetektionsrichtung des MEMS-Mikrofons. Vertikal meint in dem Fall bevorzugt die Richtung der Schalldetektion bzw. Aufnahme, während horizontal eine dazu orthogonale Richtung meint.
Die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran bezeichnen somit bevorzugt Abschnitte der schwingfähigen Membran, welche im Wesentlichen in Emissionsrichtung eines MEMS- Lautsprechers bzw. Detektionsrichtung eines MEMS-Mikrofons ausgerichtet sind. Der Fachmann versteht, dass es sich nicht um eine exakte vertikale Ausrichtung handeln muss, sondern bevorzugt die vertikalen Abschnitte der schwingfähigen Membran im Wesentlichen in Emissionsrichtung eines MEMS-Lautsprechers bzw. Detektionsrichtung eines MEMS-Mikrofons ausgerichtet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die vertikalen Abschnitte im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung ausgerichtet, wobei im Wesentlichen parallel einen Toleranzbereich von ± 30°, bevorzugt ± 20°, besonders bevorzugt ± 10° um die vertikale Richtung meint.
Die schwingfähige Membran kann mithin bevorzugt im Querschnitt nicht nur eine rechteckige Mäanderform, sondern ebenso eine kurvige bzw. wellige Form oder eine Sägezahnform (Zick- Zack-Form) aulweisen.
Vorzugsweise sind die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte mindestens abschnittsweise oder über deren gesamte Länge geradlinig, die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte können jedoch auch mindestens abschnittsweise oder über deren gesamte Länge kurvig ausgestaltet sein. Im Falle einer kurvigen Form der schwingfähigen Membran im Querschnitt bezieht sich die Ausrichtung bevorzugt auf eine Tangente an den kurvenförmigen vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte an deren jeweiligen Mittelpunkten. Während die schwingfähige Membran bevorzugt horizontal zur Schallemissionsrichtung oder Schalldetektionsrichtung ausgerichtet vorliegt, werden die Schallwellen durch eine Aktuierung der vertikalen Abschnitte erzeugt oder umgekehrt detektiert. Vorzugsweise umfassen daher mindestens die vertikalen Abschnitte eine Lage umfassend eine Aktuatormaterial.
Im Sinne der Erfindung bezeichnen die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte der Membran vorzugsweise Abschnitte einer Membran(fläche), welche unterschiedliche Orientierungen aufweisen. Während die vertikalen Abschnitte der Membran im Wesentlichen in Richtung der Schallemission oder Schalldetektion ausgerichtet sind, liegen die horizontalen Abschnitte der Membran im Wesentlichen in einer dazu orthogonalen Ausrichtung vor. Die Membran kann somit auch als eine gefaltete Membran verstanden werden, deren Faltung bevorzugt entlang einer Breite erfolgt. Während die vertikalen und horizontalen Abschnitte eine unterschiedliche Orientierung aufweisen, sind diese vorzugsweise durch einen ähnlichen Schichtaufbau und durch im Wesentlichen gleich große Schichtdicken gekennzeichnet. Vorzugsweise erstrecken sich funktionelle Lagen der Membran, wie beispielsweise eine Aktuatorlage, mechanische Stützlage und/oder eine Lage umfassend eine elektrisch leitfähiges Material, ebenfalls sowohl entlang der horizontalen als auch der vertikalen Abschnitte. Insofern unterscheidet sich die erfindungsgemäße Membran mit horizontalen und/oder vertikalen Abschnitten deutlich von der Membran, welche in der US 2017/0006381 A1 offenbart wird. Die in der US 2017/0006381 A1 offenbarte Membran für den MEMS-Wandler stellt stattdessen eine planare Membran dar, welche in einer Ebene vorliegt und keine Faltung in vertikale oder horizontale Abschnitte aufweist. Entsprechend wird die Membran der US 2017/0006381 A1 im Falle einer Konfiguration als Lautsprecher durch Anregung der piezoelektrischen Schichten zu vertikalen Schwingungen entlang der Emissionsrichtung angeregt. Im Falle einer Ausführung als Mikrofon werden Schallwellen in vertikale (out-of-plane) Schwingungen der Membran entlang einer Detektionsrichtung übersetzt, welche mittels der piezoelektrischen Schichten ausgelesen werden können. Eine gefaltete Membran mit vertikalen und horizontalen Abschnitten, bei welcher die vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt werden, d. h. orthogonal zur Emissions- oder Detektionsrichtung, wird hingegen nicht offenbart. Im Gegensatz zur planaren Membran der US 2017/0006381 A1 werden bei einer erfindungsgemäßen Membran die vertikalen Abschnitte zu einer horizontalen Schwingung angeregt, wodurch insbesondere Fluidvolumina, welche sich zwischen den vertikalen Abschnitten befinden, in eine Strömung versetzt werden. Wie eingangs erläutert, kann gegenüber planaren Membranen hierdurch vorteilhaft im Falle eines MEMS-Lautsprechers aufgrund einer größeren Verdrängung des Fluidvolumens eine Steigerung des erzeugten Schalldruckpegels erzielt werden. Im Falle eines MEMS-Mikrofons kann durch die gefaltete Ausgestaltung der Membran mehr Fluidvolumen zwischen den vertikalen Abschnitten aufgenommen und eine Sensitivität des Schalldetektors erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Träger zwei Seitenbereiche zwischen welchen die schwingfähige Membran in horizontaler Richtung angeordnet vorliegt.
Bei dem Träger handelt es sich bevorzugt um eine Rahmenstruktur, welche im Wesentlichen durch eine durchgehende äußere Umrandung in Form von Seitenwänden eines freibleibenden flächigen Bereichs gebildet wird. Die Rahmenstruktur ist dabei bevorzugt stabil und biegesteif. Bei einer eckigen Rahmenform (dreieckiger, viereckiger, sechseckig oder allgemein mehreckiger Umriss) werden die einzelnen Seitenbereiche, die die Rahmenstruktur bevorzugt im Wesentlichen bilden, insbesondere Seitenwände genannt.
Die schwingfähige Membran wird bevorzugt von mindestens zwei Seitenwänden des Trägers gehalten. In der beispielhaften Fig. 2h sind die beiden Seitenwände im Querschnitt zu sehen. Bevorzugt umfasst der Träger jedoch vier Seitenbereiche, vorzugsweise mit zusätzlichen Stirnflächen in der Regel parallel zum gezeichneten Querschnitt. Diese weiteren zwei Seitenwände spannen die Rahmstruktur auf.
Die schwingfähige Membran ist bevorzugt flächig innerhalb des freibleibenden Fläche aufgehangen. Die flächige Ausbreitung der schwingfähigen Membran kennzeichnet eine horizontale Richtung, während die vertikalen Abschnitte im Wesentlichen orthogonal dazu vorliegen. In Bezug auf die Stirnflächen kann die Membran an diesen Seitenwänden angehaftet sein oder dort zwecks größerer Beweglichkeit geschlitzt sein. Vorteilhaft kann der Schlitz einen dynamischen Hochpass darstellen, welcher beispielsweise ein Frontvolumen und Rückvolumen miteinander koppelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Träger aus einem Substrat gebildet, bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe umfassend monokristallines Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, Siliziumgermanium, Siliziumnitrid, Nitrid, Germanium, Kohlenstoff, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Indiumphosphid und/oder Glas.
Diese Materialien sind in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemherstellung einfach und kostengünstig zu bearbeiten und eignen sich für eine Herstellung im großen Maßstab. Die Trägerstruktur kann aufgrund der Materialien und/oder Herstellungsweisen flexibel hergestellt werden. Insbesondere ist bevorzugt eine Herstellung des MEMS-Wandlers umfassend eine schwingfähige Membran zusammen mit einem Träger in einem (Halbleiter-)prozess, bevorzugt auf einem Wafer möglich. Hierdurch wird die Herstellung weiter vereinfacht und verbilligt, sodass kostengünstig ein kompakter und robuster MEMS-Wandler bereitgestellt werden kann.
Bevorzugt ist eine Positionierung der mindestens eine Elektrode endseitig vorgesehen, sodass eine Kontaktierung mit einer Elektronik, z. B. an eine Strom- oder Spannungsquelle im Falle eines MEMS-Lautsprechers, an einem Ende der schwingfähigen Membran erfolgen kann, bevorzugt an einem Ende, an welchem die Membran am Träger aufgehangen vorliegt. Elektrode meint bevorzugt einen Bereich aus einem leitfähigen Material (bevorzugt einem Metall), welcher für eine solche Kontaktierung mit einer Elektronik, z. B. einer Strom- und/oder Spannungsquelle im Falle eines MEMS-Lautsprechers, eingerichtet ist. Bevorzugt kann es sich um einen Elektrodenpad handeln. Besonders bevorzugt dient das Elektrodenpad der Kontaktierung mit einer Elektronik und ist selbst mit einer leitfähigen Metallschicht verbunden, welche sich über die gesamte Fläche der schwingfähigen Membran erstrecken kann. Teilweise wird im Folgenden die leitfähige Schicht zusammen mit einem Elektrodenpad als Elektrode, beispielsweise als Top- Elektrode oder Bottom-Elektrode bezeichnet.
Besonders bevorzugt liegt die Lage aus einem leitfähigem Material, bevorzugt Metall, im Sinne einer Top- oder Bottomelektrode als eine durchgängige bzw. ganzflächige oder zusammenhängende Schicht der schwingfähigen Membran vor, welche eine im Wesentlichen homogene Fläche bildet und insbesondere nicht strukturiert wird. Stattdessen werden bevorzugt mittels einer unstrukturierten Lage aus einem leitfähigem Material, bevorzugt Metall, die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte mit der endseitigen Elektrode bzw. dem Elektrodenpad kontaktiert.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der MEMS-Wandler zwei endseitige Elektroden. Bevorzugt kann die Kontaktierung mit einer Elektronik, z. B. einer Strom- oder Spannungsquelle, mit den Elektroden an gegenüberliegende Enden der schwingfähigen Membran erfolgen, zwischen welche die vertikalen Abschnitten vorliegen, sodass mittels der endseitigen Elektroden die Aktuatorlage(n) in den vertikalen Abschnitten angesteuert werden können.
Die endseitige Bereitstellung der Elektroden grenzt sich somit bevorzugt von einer Kontaktierung ab, welche die jeweiligen vertikalen Abschnitte mit jeweiligen separaten Elektroden ansteuert bzw. im Falle eines MEMS-Mikrofons erzeugte elektrische Signale abgreift. Bevorzugt umfasst der MEMS-Wandler somit genau ein oder genau zwei Elektroden zur endseitigen Kontaktierung und keine weiteren Elektroden(pads) für eine Kontaktierung mittiger vertikaler Abschnitte.
Bevorzugt dient die Lage aus einem Aktuatormaterial in den vertikalen Abschnitten als Bestandteil eines mechanischen Bimorphs, wobei durch Ansteuerung der Aktuatorlage über die Elektrode eine laterale Wölbung der vertikalen Abschnitte bewirkt wird oder wobei durch eine induzierte laterale Wölbung ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird. Es hat sich als überaus hilfreich für die Performance des mechanischen Bimorphs erwiesen, dass Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche an vertikalen, horizontalen und/oder an Verbindungsstellen zwischen vertikalen und horizontalen Bereichen vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte mindestens zwei Lagen auf, wobei eine Lage ein Aktuatormaterial und eine zweite Lage ein mechanisches Stützmaterial umfasst und wobei mindestens die Lage umfassend das Aktuatormaterial und mit einer endseitigen Elektrode kontaktiert vorliegt, sodass die horizontalen Schwingungen durch eine Formänderung des Aktuatormaterials gegenüber dem mechanischen Stützmaterial erzeugbar sind. In der Ausführungsform wird der mechanische Bimorph durch eine Lage aus Aktuatormaterial (z. B. einem piezoelektrischen Material) und einer passiven Lage gebildet, welche als mechanische Stützschicht fungiert. Für die Biegung kann sowohl ein transversaler als auch longitudinaler Piezoeffekt genutzt werden.
Bei Ansteuerung der Aktuatorlage kann diese beispielsweise eine transversale oder longitudinale Streckung oder Stauchung erfahren. Gegenüber der mechanischen Stützschicht wird hierdurch ein Stressgradient erzeugt, welcher zu einer lateralen Wölbung bzw. Schwingung führt. Durch wechselnde Polung an den Elektroden kann bevorzugt ein push-pull-Betrieb erfolgen, wodurch abwechselnd nahezu das gesamte Luftvolumen zwischen den vertikalen Abschnitten in vertikaler Emissionsrichtung bewegt werden kann. Die Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche erlauben diesbezüglich eine besonderes hohe Auslenkbarkeit der vertikalen Abschnitte und steigern mithin das Verdrängungsvolumen. Vorteilhaft an dem Aktuatorprinzip ist somit eine hoch effiziente Übersetzung der horizontalen Schwingungen vertikaler Abschnitte in eine vertikale Volumenbewegung bzw. Schallerzeugung. Mithilfe der Anbringung von Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen kann dies vorteilhaft besonders optimiert erfolgen, da sowohl die Biegesteifigkeit der vertikalen Abschnitte als auch deren Rotationsfreiheit einstellbar ist.
Da das Aktuatorprinzip nicht auf einer elektrostatischen Anziehung basiert, sondern auf einer relativen Formänderung (z. B. Stauchung, Streckung und/oder Scherung) der Aktuatorlage gegenüber einer Stützschicht, kann ein Verkleben der Membranabschnitte ausgeschlossen werden. Stattdessen können sich die vertikalen Abschnitte endlich berühren und sind somit in ihrer Auslenkung nicht eingeschränkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die zwei oder mehr vertikalen Abschnitte mindestens zwei Lagen, wobei beide Lagen ein Aktuatormaterial umfassen und mit Elektroden vorzugsweise endseitig kontaktiert vorliegen und die horizontalen Schwingungen durch eine Formänderung der einen Lage gegenüber der anderen Lage erzeugbar sind. In der Ausführungsform wird die horizontale Schwingung der vertikalen Abschnitte mithin nicht durch einen Stressgradienten zwischen einer aktiven Aktuatorlage und einer passiven Stützschicht generiert, sondern durch eine relative Formänderung zweier aktiver Aktuatorlagen.
Die Aktuatorlagen können hierbei aus demselben Aktuatormaterial bestehen und unterschiedlich angesteuert werden. Auch können die Aktuatorlagen aus unterschiedlichen Aktuatormaterialien bestehen, beispielsweise aus piezoelektrischen Materialien mit unterschiedlichem Deformationskoeffizienten .
Im Sinne der Erfindung wird die „Lage umfassend ein Aktuatormaterial“ bevorzugt auch als Aktuatorlage bezeichnet. Ein Aktuatormaterial meint bevorzugt ein Material, welches unter Anlegung einer elektrischen Spannung eine Formänderung, beispielsweise eine Dehnung, Stauchung oder Scherung erfährt oder umgekehrt unter Formänderung eine elektrische Spannung erzeugt.
Bevorzugt sind Materialien mit elektrischen Dipolen, welche durch das Anlegen einer elektrischen Spannung eine Formänderung erfahren, wobei die Orientierung der Dipole und/oder des elektrischen Feldes die Vorzugsrichtung der Formänderungen bestimmen kann.
Bevorzugt kann das Aktuatormaterial ein piezoelektrisches Material, ein Polymer Piezoelectrical Material und/oder elektroaktive Polymere (EAP) sein.
Besonders bevorzugt ist das piezoelektrisch Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Aluminiumnitrid (AIN), Aluminium-Scandium-Nitrid (AIScN) und Zinkoxid (ZnO).
Im Sinne der Erfindung wird die „Lage umfassend ein mechanische Stützmaterial“ bevorzugt auch als Stützlage oder Stützschicht bezeichnet. Das mechanische Stützmaterial bzw. die Stützlage dient bevorzugt als passive Lage, welche einer Formänderung der Aktuatorlage widerstehen kann. Im Gegensatz zu einer Aktuatorlage ändert das mechanische Stützmaterial beim Anlegen einer elektrischen Spannung bevorzugt seine Form nicht. Bevorzugt ist das mechanische Stützmaterial elektrisch leitend, sodass es auch unmittelbar für eine Kontaktierung der Aktuatorlage verwandt werden kann. Es kann aber auch in einigen Ausführungsformen nichtleitend sein und beispielsweise mit einer elektrisch leitfähigen Lage beschichtet vorliegen.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mechanischen Stützmaterial um monokristallines Silizium, ein Polysilizium oder ein dotiertes Polysilizium.
Während die Aktuatorlage bei einer elektrischen Spannung eine Formänderung erfährt, verbleibt die Lage des mechanischen Stützmaterials im Wesentlichen unverändert. Der resultierende Stressgradient zwischen beiden Lagen (mechanischer Bimorph) bewirkt bevorzugt eine horizontale Wölbung. Zu diesem Zweck ist die Dicke der Stützlage im Vergleich zur Dicke der Aktuatorlage bevorzugt so zu wählen, dass für die Wölbung ein hinreichend großer Stressgradient generiert wird. Für dotiertes Polysilizium als mechanisches Stützmaterial und einem piezoelektrischen Material wie PZT oder AIN haben sich beispielsweise im Wesentlichen gleich große Dicken, bevorzugt zwischen 0,5 pm und 2 pm, als besonders geeignet erwiesen.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5% und insbesondere weniger als ± 1 %. Angaben von im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. offenbaren und umfassen stets auch den exakten genannten Wert.
Eine Kontaktierung der Aktuatorlage und/oder der Lage aus einem mechanischen Stützmaterial und somit das Anlegen einer elektrischen Spannung kann über endseitige Elektroden unmittelbar erfolgen oder durch eine Lage aus einem leitfähigen Material unterstützt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die schwingfähige Membran daher mindestens eine Lage aus einem leitfähigen Material.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das leitfähige Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Platin, Wolfram, (dotiertes) Zinnoxid, monokristallines Silizium, Polysilizium, Molybdän, Titan, Tantal, Titan-Wolfram Legierung, Metallsilizid, Aluminium, Graphit und/oder Kupfer.
Die erfindungsgemäße Einbringung von Korrugationen und/oder die Schwächungsbereichen kann sich gleichermaßen auf Lagen aus einem Aktuatormaterial, einem mechanische Stützmaterial und/oder einem leitfähigen Material beziehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche entlang der horizontalen Abschnitte, entlang der vertikalen Abschnitten und/oder an Verbindungsstellen zwischen vertikalen Abschnitten und horizontalen Abschnitten vorliegen.
So kann es bevorzugt sein, die Korrugationen und/oder die Schwächungsbereiche lediglich entlang der horizontalen Abschnitte anzubringen sind. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche nur entlang der vertikalen Abschnitten anzubringen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche an den vertikalen Abschnitten und den horizontalen Abschnitten angebracht. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche an Verbindungstellen alleine oder in Kombination mit weiteren Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen an vertikalen und/oder horizontalen Abschnitten vorliegen.
Vorteilhafterweise führen Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche an horizontalen Abschnitten sowie an Verbindungsstellen zu einer Steigerung der Rotationsfreiheit der vertikalen Abschnitte. Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche an vertikalen Abschnitten senken vorteilhaft die Biegesteifigkeit, sodass die Auslenkbarkeit der vertikalen Abschnitte weiter gesteigert werden kann. Beide Positionierungen können alleine oder in Kombination zur Erzeugung hoher Schalldruckpegel genutzt werden, ohne dass nennenswerte Verzerrungen auftreten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines vertikalen Abschnitts und/oder eines horizontalen Abschnitts mindestens 1 , 2, 3, 4, 5 oder mehr Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche angebracht sind.
Vorteilhaft stellt die Anzahl der Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche einen Parameter dar, durch dessen Auswahl das Schwingungsverhalten der vertikalen Abschnitte optimiert werden kann. Durch eine höhere Anzahl an Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen an vertikalen Abschnitten und/oder Verbindungsstellen wird vorteilhaft eine höhere Rotationsfreiheit erlangt. Durch eine höhere Anzahl an Korrugationen und/oder an Schwächungsbereichen an den vertikalen Abschnitten wird vorteilhaft eine höhere Auslenkbarkeit der vertikalen Abschnitte durch eine stärkere Verringerung der Steifigkeit der vertikalen Abschnitte erlangt.
In weiteren Anwendungszwecken kann es bevorzugt sein, eine verhältnismäßige geringe Anzahl an Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen bereitzustellen, beispielsweise lediglich eine oder zwei Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche pro vertikalem und/oder horizontalem Abschnitt. Mithin kann vorteilhafterweise auf besonders einfache Weise das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Membran durch eine entsprechende Auswahl, insbesondere hinsichtlich der Anzahl der Korrugationen und/oder der Schwächungsbereiche, das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Membran optimiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Korrugationen einen rechteckigen, trapezförmigen, quadratischen, dreieckigen, teilkreisförmigen und/oder runden Querschnitt aufweisen.
Die genannten geometrischen Formen können vorteilhaft die Optimierung des Schwingungsverhalten durch die Korrugationen begünstigen. Zudem hat sich die Herstellung dieser geometrischen Ausgestaltungen der Korrugationen vorteilhaft als besonders einfach erwiesen. Die bevorzugten Querschnitte der Korrugationen können beispielsweise durch eine Bereitstellung einer entsprechend geformten Formgebungskomponente bzw. eines strukturierten Trägersubstrats und eines anschließenden Beschichtungsverfahrens ermöglicht werden.
Vorzugsweise weisen eine oder mehrere Korrugationen einen rechteckigen Querschnitt auf. Ein rechteckiger Querschnitt zeichnet sich bevorzugt durch ein ebenes Viereck aus, dessen Innenwinkel alle im Wesentlichen rechte Winkel sind. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, dass eine oder mehrere Korrugationen einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Ein trapezförmiger Querschnitt zeichnet sich bevorzugt durch ein ebenes Viereck mit zwei im Wesentlichen parallel zueinander liegenden Seiten aus. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass eine oder mehrere Korrugationen einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Ein quadratischer Querschnitt zeichnet sich bevorzugt durch vier im Wesentlichen gleich lange Seiten und vier im Wesentlichen rechte Winkel aus. Zudem kann es bevorzugt sein, dass eine oder mehrere Korrugationen einen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Ein dreieckiger Querschnitt zeichnet sich bevorzugt durch drei Winkel aus, die durch ihre Seiten aufgespannt werden.
Ebenfalls kann es bevorzugt sein, dass eine oder mehrere Korrugationen einen teilkreisförmigen Querschnitt aulweisen. Hierbei ist mit „teilkreisförmig“ bevorzugt ein Teilausschnitt einer Kreisform gemeint. Ein teilkreisförmiger Querschnitt kann bevorzugt auch in Form eines im Wesentlichen Halbkreises vorliegen. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass ein runder Querschnitt einer oder mehrerer Korrugationen vorliegt. Ein runder Querschnitt meint bevorzugt einen Querschnitt, welcher auf Ecken und/oder Kanten innerhalb der Korrugationen verzichtet und beispielsweise halbkreisförmig oder auch eine andere Form (elliptisch etc.) aufweisen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Korrugationen eine Tiefe von 1 pm - 100 pm bevorzugt 2 pm - 20 pm und/oder eine Breite zwischen ca. 0,5 pm - 50 pm, bevorzugt zwischen 1 pm - 5 pm, aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Korrugationen ein Aspektverhältnis von Breite zu Tiefe von 1 :1 oder mehr, bevorzugt von 1 :2 oder mehr autweist. Als Aspektverhältnis wird bevorzugt das Verhältnis aus der Tiefe bzw. Höhe zur (kleinsten) lateralen Ausdehnung bezeichnet.
Die genannten Aspektverhältnisse sind dahingehend vorteilhaft, dass dies zu einer besonders effektiven Erhöhung der Auslenkbarkeit der vertikalen Abschnitte führen und zudem einfach und zuverlässig durch im Stand der Technik bekannten Methoden herstellen lassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Abschnitte und/oder vertikalen Abschnitte mehrlagig ausgebildet sind und wobei eine oder mehrere Schwächungsbereiche durch eine Variation der Schichtdicke mindestens einer Lage bewirkt wird, wobei bevorzugt die Schichtdicke der mindestens einen Lage auf weniger als 70%, vorzugweise weniger als 60%, 50%, 40% oder weniger einer Ausgangsschichtdicke reduziert ist.
Wie obig beschrieben, meint ein Schwächungsbereich bevorzugt eine im Vergleich zur durchschnittlichen Dicke des Teilabschnittes der Membran reduzierte Schichtdicke einer Lage der Membran. Im Falle einer mehrlagigen Membran kann die Variation der Schichtdicken im Schwächungsbereich eine Reduktion der Schichtdicke einer Auswahl der Lagen, beispielsweise einer oder zweier Lagen oder aber sämtlicher Lagen der mehrlagigen Membran betreffen. Hierbei weisen Schwächungsbereiche ähnliche vorteilhafte technischen Effekte auf wie die Anbringung von Korrugationen.
Die genannten Reduzierungen der Schichtdicken haben sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, dass sie einerseits besonders einfach und schnell bereitzustellen sind und ebenso eine besonders effiziente Optimierung des Schwingungsverhaltens der schwingfähigen Membran ermöglichten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Abschnitte und/oder vertikalen Abschnitte mehrlagig ausgebildet sind und wobei eine oder mehrere Schwächungsbereiche durch eine bereichsweise Reduzierung einer Schichtdicke mindestens einer Lage auf 0 % gebildet sind. Vorzugsweise kann diese eine Lage umfassend ein leitfähiges Material, eine Lage umfassend ein Stützmaterial und/oder die Aktuatorlage betreffen. In Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, dass ein oder mehrere Schwächungsbereiche durch eine bereichsweise Reduzierung einer Schichtdicke sämtlicher Lagen der Membran auf 0 % einer Ausgangsschichtdicke bereitgestellt werden, sofern diese Lagen ein Aktuatormaterial, ein mechanisches Stützmaterial oder ein leitfähiges Material umfassen. In diesen Ausführungsformen kann es jedoch bevorzugt sein, dass die Bildung durchgängiger Öffnungen vermieden wird, in dem eine Decklage, vorzugsweise eine Lage aus einem Polymermaterial, bereitgestellt wird, welche sich mindestens über die Schwächungsbereiche erstreckt. Bevorzugte Ausführungsformen der Decklage, vorzugsweise in Form einer Polymerschicht, werden hierin an anderer Stelle offenbart.
Eine Reduzierung auf 0 % der Ausgangsschichtdicke bezeichnet bevorzugt das vollständige Fehlen einer Lage an zumindest einem Teilbereich der Membran, welcher mithin den Schwächungsbereich definiert, sodass im erfindungsgemäßen Kontext dies auch synonym als ein Fehlen oder einer Aussparung einer Lage im betreffenden (Schwächungs-)bereich bezeichnet werden kann.
Mit einem Schwächungsbereich, der sich durch ein bereichsweises Fehlen einer Lage auszeichnet, kann beispielsweise eine verringerte Aktuierung bewirkt werden.
Beispielsweise kann an einem leitfähigen Material der Membran - beispielsweise eine Top- und/oder Bottom-Elektrode - eine Aussparung vorliegen.
Bevorzugt kann in einem oder mehreren Schwächungsbereichen ein Top-Elektrode ausgespart werden, beispielsweise in einem horizontalen Abschnitt. In dem Bereich, in dem die Top- Elektrode fehlt, kann im Gegensatz zum übrigen horizontalen Abschnitt der Membran kein oder nur ein verringertes elektrisches Feld zwischen der Top- und Bottom-Elektrode ausgebildet werden. Eine piezoelektrische Aktuatorlage, welche sich zwischen der Top- und Bottom- Elektrode befindet, wird mithin im Bereich der Aussparung der Top-Elektrode nicht oder in geringerem Maße zu einer Formänderungen angeregt bzw. aktuiert. Auf analoge Weise kann es bevorzugt sein, dass eine oder mehrere Schwächungsbereiche durch ein bereichsweises Aussparen einer Bottom-Elektrode gebildet werden.
Die verringerte bzw. schwächere Aktuierung basiert - ohne auf die Theorie beschränkt zu sein - auf einem abgeschwächten elektrischen Feld. Die verringerte Aktuierung resultiert mithin durch bevorzugt ein Verringern oder Beseitigen eines piezoelektrischen Effektes an der betreffenden Stelle. Hierdurch kann vorteilhaft das Schwingungsverhalten der Membran optimiert werden, indem eine Beweglichkeit angrenzender vertikaler Abschnitte erhöht und/oder unerwünschte Effekte wie ein Buckling vermieden werden. Eine derartige bereichsweise Reduzierung einer Aktuierbarkeit der Membran kann ebenso durch ein bereichsweises Fehlen der Aktuatorlage - beispielsweise einer piezoelektrischen Aktuatorlage - bewirkt werden.
Ebenso kann es bevorzugt sein, dass die Aktuatorlage beispielsweise im Abschnitt des Schwächungsbereiches durch ein Material ersetzt wird, welches kein Aktuatormaterial ist, beispielsweise durch ein dielektrisches Material. Vorteilhaft kann durch einen bereichsweisen Austausch einer funktionalen Lage (z. B. einer Aktuatorlage) gegen eine nicht funktionelle Schicht (beispielsweise einem dielektrischen Material als Isolationsmaterial) der Effekt einer reduzierten Aktuierung bei einer gleichzeitig homogenen Gesamtschichtdicke im Schwächungsbereich erhalten werden.
Weiterhin kann es auch bevorzugt sein, in einem Schwächungsbereich zusätzlich ein Isolationsmaterial als Isolationsschicht (z. B. ein dielektrisches Material) einzubringen - beispielsweise zwischen einer Lage umfassend ein leitfähiges Material (Top- und/oder Bottom- Elektrode) - und der Aktuatorlage. Auch hierdurch wird der piezoelektrische Effekt und mithin die Aktuierbarkeit des mehrlagigen Membran im Schwächungsbereich reduziert. In diesem Fall kann es sich vorzugsweise um einen Schwächungsbereich durch eine Variation der Schichtdicke mindestens einer Lage handeln, bei der eine Lage zusätzlich eingebracht wird und sich ggf. die Gesamtdicke der Membran sogar erhöht.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann auch ein Schwächungsbereich durch das bereichsweise Fehlen bzw. Aussparen einer mechanischen Stützlage gekennzeichnet sein. Hierdurch wird die Steifigkeit des betreffenden Teilbereiches reduziert, sodass ebenfalls eine Optimierung der Auslenkbarkeit der Membran erreicht werden kann. Es versteht sich, dass ebenfalls im Falle der mechanischen Stützlage das ausgesparte Stützmaterial auch durch ein Material mit geringerer mechanischer Steifigkeit (bzw. einem höheren Elastizitätsmodul) ersetzt werden kann.
Die Aussparung einer oder mehrerer Lagen kann während der Beschichtung durch eine vorgegebene Maskierung gebildet werden. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, die Aussparung nach der Beschichtung durch eine Strukturierung bereitzustellen.
In bevorzugten Ausführungsformen liegt ein Schwächungsbereich, der durch das Fehlen mindestens einer Lage gekennzeichnet ist, an einem horizontalen Abschnitt vor. Es kann auch bevorzugt sein, dass sich ein derartiger Schwächungsbereich innerhalb einer Korrugation befindet. D. h. das beispielsweise in einer Korrugation, welche als eine Vertiefung oder Erhebung in einem ansonsten im Wesentlichen planplanaren Verlauf des Teilabschnitts gekennzeichnet ist, mindestens eine Lage (z. B. eine Stützlage, Aktuatorlage, Top- und/oder Bottom-Elektrode) ausgespart wird.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Abschnitte und/oder vertikalen Abschnitte mehrlagig ausgebildet sind und wobei eine oder mehrere Schwächungsbereiche durch eine Variation der Schichtdicke mindestens einer Lage (vorzugweise genau einer Lage) bewirkt wird, wobei bevorzugt die Schichtdicke der mindestens einen Lage auf weniger als 70 %, vorzugweise weniger als 60 %, 50 %, 40 % oder auf 0 % einer Ausgangsschichtdicke reduziert ist, wobei jedoch die Schichtdicke mindestens einer Lage der Membran (vorzugsweise sämtlicher Lagen bis auf eine Lage) nicht reduziert wird. Hierdurch werden gezielt die mechanischen oder funktionellen Eigenschaften der Membran im Schwächungsbereich verändert, ohne die Integrität der Membran zu beeinträchtigen. Etwaige akustische Nachteile durch die Bereitstellung durchgehender Öffnungen können mithin vermieden werden. Bei der bevorzugten Lage, welche bestehen bleibt, kann es sich beispielsweise um eine Aktuatorlage, eine mechanische Stützlage oder eine Lage umfassend ein leitfähiges Material handeln. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass lediglich eine Decklage bestehend bleibt, vorzugsweise umfassend ein Polymermaterial. Die Decklage hat vorzugsweise im Wesentlichen die Funktion eine vollständige durchgehende Öffnung der Membran in den Schwächungsbereichen zu vermeiden, wobei die Decklage vorzugweise nichtleitend ist und/oder nicht durchlässig für ein Fluid, in dem sich die Schallwellen ausbreiten, vorzugsweise Luft.
In einigen Ausführungsformen können die Schwächungsbereiche jedoch auch als durchgehende Öffnungen bereitgestellt werden, wobei mithin bereichsweise die Schichtdicke sämtlicher Lagen auf 0 % reduziert werden. Auch durch die Bereitstellung durchgehender Öffnungen kann die mechanische Steifigkeit der horizontalen Abschnitte und/oder vertikalen Abschnitte verringert werden und mithin ein verbessertes Schwingungsverhalten der Membran resultieren.
Dies kann insbesondere durch die geometrische Form der Öffnungen und/oder der Anzahl der Öffnungen optimiert werden. In bevorzugten Ausführungsformen liegen 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 10, 30, 50, 100 oder mehr Öffnungen an einem horizontalen und/oder vertikalen Abschnitt vor. Umso mehr Öffnungen vorliegen, desto stärker kann der mechanische Widerstand während einer Schwingung verringert werden. Die Öffnungen können bevorzugt kreisförmig, ellipsenförmig, eckig oder als Schlitz aufgebracht vorliegen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Ausgestaltung der einen oder mehrere Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche, bevorzugt hinsichtlich einer Tiefe, Breite, Schichtdicke, Geometrie und/oder Anzahl, eine Steifigkeit der horizontalen Abschnitte und/oder vertikalen Abschnitte einstellbar ist, um ein Schwingungsverhalten der vertikalen Abschnitte zu optimieren.
Vorteilhafterweise kann damit durch eine Ausgestaltung und/oder Wahl von Parametern umfassend Tiefe, Breite, Schichtdicke, Geometrie und/oder Anzahl eine Steifigkeit der vertikalen Abschnitte optimiert werden, insbesondere je nach Anwendungszweck des MEMS-Wandlers angepasst werden. Insbesondere umfasst die Steifigkeit der vertikalen Abschnitte die Biegesteifigkeit, d. h. den Widerstand gegen eine Biegung während einer horizontalen Schwingung, beispielsweise zur Erzeugung oder bei der Aufnahme von Druckwellen. Durch die Verringerung der Biegesteifigkeit ist vorteilhaft eine höhere maximale Auslenkbarkeit der vertikalen Abschnitte gegeben, sodass vorteilhafterweise auch höhere Schalldruckpegel mit guter Klangqualität durch einen bevorzugten MEMS-Lautsprecher erzeugt werden können. In Bezug auf eine bevorzugte Bereitstellung des MEMS-Wandlers als MEMS-Mikrofon kann vorteilhaft dessen Sensitivität, Aufnahmequalität und/oder Signal-zu-Rausch Verhältnis verbessert werden.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Membran eine Decklage, vorzugweise in Form einer Polymerschicht. Eine Polymerschicht kennzeichnet bevorzugt eine Lage aus einem Polymermaterial und ist insbesondere bevorzugt in den Ausführungsformen, in denen die übrigen funktionellen Schichten der Membran, wie beispielsweise die Lagen aus einem Aktuatormaterial, einem elektrisch leitfähigen Material und/oder einem mechanischen Stützmaterial, ausgespart werden.
In der Ausführungsform ist es mithin bevorzugt, dass in einem Schwächungsbereich die Schichtdicke sämtlicher Schichten der Membran auf 0 % einer Ausgangsschichtdicke reduziert sind, außer die Schichtdicke einer Decklage, welche vorzugsweise eine Lage umfassend ein Polymermaterial ist.
Die Bereitstellung einer Decklage ist in diesen Ausführungsformen dahingehend vorteilhaft, dass unabhängig von der Größe der bereitzustellenden Aussparungen bzw. Öffnungen zuverlässig ein akustischer Kurzschluss vermieden wird. So kann es im Falle durchgängiger Öffnungen der Membran mit Ausmaßen von ca. 5 pm oder mehr zu einem sogenannten akustischen Kurzschluss kommen. Der akustische Kurzschluss meint dabei bevorzugt eine Verminderung der Schallabstrahlung im Falle eines Lautsprechers oder eine Verminderung einer Schallaufnahme im Falles eines Mikrofons durch einen unerwünschten Druckausgleich zwischen einer Rückseite und einer Vorderseite der Membran. Ein akustischer Kurzschluss kann insbesondere bei der Emission oder beim Empfang von Schall im niederfrequenten Bereich auftreten. Durch entsprechende Wahl geringerer Dimensionen durchgängiger Öffnungen kann ein derartiger Druckausgleich für Frequenzen gewünschter Anwendungen vermieden werden.
Vorteilhaft wird durch den Einsatz einer Decklage, beispielsweise einer Polymerschicht, das Auftreten eines akustischen Kurzschlusses auch für beliebig große Öffnungen bzw.
Aussparungen vermieden. Dies erhöht vorteilhaft die Designflexibilität in Bezug auf eine Bereitstellung von Schwächungsbereichen als Aussparungen in den Lagen umfassend ein Aktuatormaterial, ein Stützmaterial oder ein elektrisch leitfähiges Material.
In bevorzugten Ausführungsformen kann sich die Decklage auf einer Vorderseite oder auf einer Rückseite der Membran befinden. Eine Vorderseite meint vorzugsweise jene Seite der Membran, in welche eine Schallemission erfolgt bzw. aus welcher eine Detektion von Schallwellen erfolgt.
In bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich die Decklage im Wesentlichen durchgängig über die gesamte Fläche der Membran. Hiermit ist insbesondere gemeint, dass die Decklage in Ausgestaltung und den Maßen im Wesentlichen mit denen der darunter oder darüberliegenden Schichten der Membran identisch ist. Mithin ist es bevorzugt, dass die Decklage als eine einzige, vorzugsweise durchgängige, Schicht an der Membran vorliegt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, dass die Decklage, vorzugsweise in Form einer Polymerschicht, lediglich mindestens an den Schwächungsbereichen vorliegt, in denen die Verhinderung des akustischen Kurzschlusses erwünscht ist und in anderen Bereichen der Membran, an denen keine Schwächungsbereiche sind, nicht vorliegt. Mithin kann es bevorzugt sein, dass sich die Decklage nicht ganzheitlich entlang der Membran erstreckt, sondern selektiv zur Abdeckung der Schwächungsbereiche bzw. Öffnungen angebracht ist. In dieser Ausführungsform kann somit vorzugsweise eine unterbrochene, diskontinuierliche Decklage vorliegen, wobei die Decklage jedoch mindestens an den Schwächungsbereichen der Membran bereitgestellt wird.
In bevorzugten Ausführungsformen wird die Decklage als eine Polymerfolie, Polymerflüssigkeit oder ein Polymerlack bereitgestellt. Vorzugweise ist die Decklage nicht durchlässig für ein Fluid, in welchem die Schallwellen propagieren, beispielsweise Luft. Vorzugsweise ist die Decklage mithin gasundurchlässig, um auf diese Weise eine akustische Integrität der Membran zu wahren und einen akustischen Kurzschluss zu vermeiden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Decklage nicht elektrisch leitend ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Decklage ein dielektrisches Material umfasst. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass die Decklage eine Polymermaterial umfasst ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polyvinyldifluorid (PVDF), Polymethylmethacrylat (PMMA), Parylene und/oder SU-8 Polymid.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Decklage eine Schichtdicke zwischen 5 - 100 nm, bevorzugt zwischen 10 - 80 nm, besonders bevorzugt zwischen 20 - 60 nm, ganz besonders bevorzugt zwischen 30 - 50 nm auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Wandler dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung von einer oder mehreren Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen an den horizontalen Abschnitten und/oder vertikalen Abschnitten eine Rotationsfreiheit der vertikalen Abschnitte erhöht, um ein Schwingungsverhalten der vertikalen Abschnitte zu optimieren.
Vorteilhaft kann durch eine Erhöhung der Rotationsfreiheit die Beweglichkeit ausgehend vom Verbindungspunkt der vertikalen Abschnitte an den horizontalen Abschnitten gesteigert werden. Die Erhöhung der Rotationsfreiheit kann damit bevorzugt als eine verbesserte Beweglichkeit an dem Aufhängepunkt am horizontalen Abschnitt aufgefasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die schwingfähige Membran als Mäanderstruktur ausgebildet, wobei die Mäanderstruktur durch die vertikalen Abschnitte und horizontalen Abschnitte gebildet wird.
Eine Mäanderstruktur bezeichnet bevorzugt eine aus einer Abfolge zueinander im Wesentlichen orthogonaler Abschnitte im Querschnitt gebildete Struktur. Bei den zueinander orthogonalen Abschnitten handelt es sich bevorzugt um vertikale und horizontale Abschnitte der schwingfähigen Membran. Besonders bevorzugt ist die Mäanderstruktur im Querschnitt rechteckig. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass die Mäanderstruktur im Querschnitt eine Sägezahnform (Zick-Zack-Form) aufweist oder kurvenförmig bzw. wellenförmig ausgestaltet ist. Dies ist insbesondere der Fall, sofern die vertikalen Abschnitte nicht exakt parallel mit der vertikalen Emissions- oder Detektionsrichtung ausgerichtet vorliegen, sondern einen Winkel beispielsweise von ± 30°, bevorzugt ± 20°, besonders bevorzugt ± 10° mit der vertikalen Richtung einschließen. Bevorzugt umfasst die Mäanderstruktur strukturelle und/oder funktionelle Unregelmäßigkeiten bzw. Inhomogenitäten in Form von Korrugationen und/oder Schwächungsbereichen.
Die horizontalen Abschnitte können in bevorzugten Ausführungsformen ebenfalls nicht exakt unter einem orthogonalen Winkel von 90° zur vertikalen Emissions- oder Detektionsrichtung stehen, sondern beispielsweise einen Winkel zwischen 60° und 120°, bevorzugt zwischen 70° und 110°, besonders bevorzugt zwischen 80° und 100° mit der vertikalen Richtung einschließen.
Im Falle einer kurvenförmigen Form der vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte der schwingfähigen Membran im Querschnitt bezieht sich die Ausrichtung bevorzugt auf eine Tangente an die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte an deren jeweiligen Mittelpunkten.
Die erfindungsgemäßen Korrugation definieren auch in diesem Fall bevorzugt eine lokale Abweichung (Vertiefung oder Erhebung) von einem ansonsten kontinuierlichen Verlauf der (kurvigen) vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte.
Die Mäanderstruktur entspricht somit bevorzugt einer entlang der Breite gefalteten Membran. Im Sinne der Erfindung kann eine schwingfähige Membran daher bevorzugt auch als Faltenbalg bezeichnet werden. Die parallelen Falten des Faltenbalges bilden bevorzugt die vertikalen Abschnitte. Die Verbindungsabschnitte zwischen den Falten bilden bevorzugt die horizontalen Abschnitte. Bevorzugt sind die vertikalen Abschnitte länger als die horizontalen Abschnitte, beispielsweise um einen Faktor 1 ,5, 2, 3, 4 oder mehr.
In Bezug auf die Funktion einer schwingfähigen Membran in Mäanderform zur Erzeugung oder Aufnahme von Schallwellen sind die vertikalen Abschnitte maßgeblich, welche auch als Lamellen bezeichnet werden können. Bevorzugt sind die vertikalen Abschnitte mehrlagig aufgebaut und bilden einen mechanischem Bimorph. Beispielsweise können die vertikalen Abschnitte jeweils eine Aktuatorlage sowie eine passive Lage aus einem Stützmaterial und/oder zwei verschieden steuerbaren Aktuatorlagen umfassen. Die horizontalen Abschnitte der gefalteten Membran können bevorzugt identisch zu den vertikalen Abschnitten aufgebaut sein. Es kann aber ebenso bevorzugt sein, dass die horizontalen Abschnitte - im Gegensatz zu den vertikalen Abschnitten - keine Aktuatorlage aufweisen, sondern lediglich eine mechanische Stützschicht und/oder eine elektrisch leitfähige Schicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Lage aus einem Aktuatormaterial der schwingfähigen Membran eine durchgängige Lage. Durchgängig meint bevorzugt, dass im Querschnittsprofil keine Unterbrechungen vorliegen. Demgemäß ist es in der genannten Ausführungsform bevorzugt, dass sowohl eine durchgängige Lage von Aktuatormaterial in den vertikalen als auch in den horizontalen Abschnitten vorliegt. Vorteilhaft ist mithin keine Strukturierung notwendig. Eine durchgängige Lage ist besonders einfach in der Herstellung und gewährleistet eine synchrone Aktuierung beim Betrieb eines MEMS-Lautsprechers. Im Hinblick auf eine Ausbildung von Schwächungsbereichen kann es jedoch auch bevorzugt sein, gezielt Unterbrechungen bzw. Aussparungen einer Aktuatorlage einzubringen, um das Schwingungsverhalten zu optimieren.
Die Performance des MEMS-Wandlers, insbesondere eines MEMS-Lautsprechers oder MEMS- Mikrofons, kann wesentlich von der Anzahl und/oder Dimensionierung der vertikalen Abschnitte bestimmt werden, wobei insbesondere Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche, wie obig erläutert, zu einer besonders definierten Wölbung und Auslenkbarkeit der vertikalen Bereiche führen. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die schwingfähige Membran mehr als 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100 oder mehr vertikale Abschnitte.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die schwingfähige Membran weniger als 10 000, 5 000, 2 000 oder 1 000 oder weniger vertikale Abschnitte.
Die bevorzugte Anzahl von vertikalen Abschnitten führt zu einer hohen Schallleistung auf kleinsten Chip-Oberflächen, wobei insbesondere durch die Bereitstellung der Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche ein ausgezeichnetes Klangbild und hervorragende Audioqualität erreicht wird.
Bevorzugt sind die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte im Wesentlichen flächig, das bedeutet insbesondere, dass ihre Ausdehnung in jeder der zwei Dimensionen (Höhe, Breite) ihrer Fläche größer ist als in einer hierzu senkrechten Dimension (der Dicke). Beispielsweise können Größenverhältnisse von mindestens 2:1 , bevorzugt mindestens 5: 1 , 10: 1 oder mehr bevorzugt sein. Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche definieren, wie obig erläutert, vorzugsweise Abweichungen aus einer flächigen Ebene.
Im Sinne der Erfindung entspricht die Höhe der vertikalen Abschnitte bevorzugt der Dimension entlang der Richtung der Schallemission oder Schalldetektion. In Bezug auf die horizontalen Abschnitte bezeichnet hingegen eine Breite bevorzugt die Dimension entlang der Verbindungslinie zwischen zwei vertikalen Abschnitten.
Eine Dicke der vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte entspricht bevorzugt einer Summe der Schichtdicke der einen oder mehreren Lagen, welche die vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte bilden. Die Länge der vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte entspricht bevorzugt einer zur Höhe bzw. Breite sowie zur Dicke orthogonalen Dimension. In den Querschnittsansichten der unten aufgeführten Abbildungen sind Höhe bzw. Breite und Dicke schematisch (nicht zwangsläufig skalengetreu) dargestellt, während die Dimension der Länge einer (nicht sichtbaren) Zeichnungstiefe der Abbildungen entspricht.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt eine Höhe der vertikalen Abschnitte zwischen 10 pm und 1 000 pm, bevorzugt zwischen 50 pm und 500 pm, während eine Breite der horizontalen Abschnitte zwischen 2 pm und 200 pm, bevorzugt zwischen 5 pm und 100 pm beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt eine Dicke der vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte zwischen 100 nm und 10 pm, bevorzugt zwischen 500 nm und 5 pm und/oder eine Länge der vertikalen und/oder horizontalen Abschnitte zwischen 10 pm und 10 mm, bevorzugt zwischen 100 pm und 1 mm.
Die Korrugationen bzw. Schwächungsbereiche weisen in bevorzugten Ausführungsformen einen konstanten Querschnitt bzw. Schichtdickenvariation in der Dimension der Länge auf und können daher auch als Rillen bzw. Stege bezeichnet werden.
Im Falle der Aussparung in Lagen aus einem leitfähigem Material, also vorzugsweise der Top- und/oder Bottom-Elektrode, ist es bevorzugt, dass die Schwächungsbereiche keine durchgängigen Unterbrechungen in der Dimension der Länge der flächigen Membran darstellen. Stattdessen kann es beispielsweise bevorzugt sein, Leiterbahnen oder verbleibende leitende Bereiche vorzusehen, welche eine endseitige Kontaktierung und durchgängigen Stromfluss in der Top- und/oder Bottom-Elektrode gewährleisten. So kann die Aussparung der Top- und/oder Bottom-Elektrode vorzugsweise im Wesentlichen entlang der gesamten Dimension der Länge der Membran vorliegen, wobei die Aussparung durch dünne (z.B. weniger als 20 pm, vorzugsweise weniger als 10 pm) leitende Bereiche oder Leiterbahnen unterbrochen werden.
Mit den vorgenannten bevorzugten Dimensionierungen der schwingfähigen Membran bzw. der vertikalen Abschnitte kann ein besonders kompakter MEMS-Wandler, insbesondere MEMS- Lautsprecher oder MEMS-Mikrofon, bereitgestellt werden, welcher gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit mit ausgezeichnetem Klangbild oder Audioqualität verbindet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen MEMS- Wandler, bevorzugt einem MEMS-Lautsprecher oder MEMS-Mikrofon, umfassend die folgenden Schritte:
Ätzen eines Substrats, vorzugsweise von einer Vorderseite, zur Ausbildung einer Strukturierung, vorzugsweise einer Mäanderstruktur, sowie zur vorzugsweisen Ausbildung von Korrugationen, optionales Aufträgen eines Ätzstops,
Aufbringen mindestens zweier Lagen, wobei mindestens eine erste Lage ein Aktuatormaterial und eine zweite Lage ein mechanischen Stützmaterial umfassen oder mindestens zwei Lagen ein Aktuatormaterial umfassen, wobei vorzugsweise im Prozess der Aufbringung der mindestens zweier Lagen oder durch ein nachträgliches Ätzen einer oder mehrere Schwächungsbereiche bereitgestellt werden.
Kontaktieren der ersten und/oder zweiten Lage mit einer Elektrode,
Ätzen des Substrates, vorzugsweise von der Rückseite, und optionale Entfernung des Ätzstops, sodass die schwingfähige Membran zur Ausführung von Schwingungen an dem Träger befestigt wird, wobei die schwingfähige Membran vertikale Abschnitte und horizontale Abschnitte aufweist, wobei die vertikalen Abschnitte im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und die horizontalen Abschnitte die vertikalen Abschnitte miteinander verbinden, wobei die vertikalen Abschnitte und/oder die horizontalen Abschnitte eine oder mehrere Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche aufweisen, sodass durch Ansteuerung der Elektrode die vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen angeregt oder bei Anregung der vertikalen Abschnitte zu horizontalen Schwingungen an der Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen des beschriebenen MEMS-Wandlers, bevorzugt MEMS- Lautsprechers oder MEMS-Mikrofons, auch für das beschriebene Herstellungsverfahren gelten und umgekehrt. Vorzugsweise dient das beschriebene Herstellungsverfahren der Bereitstellung eines MEMS-Wandlers mit einer gefalteten schwingfähigen Membran mit einer Mäanderstruktur. Beispiele bevorzugter Herstellungsschritte werden in der Fig. 2 a-h gezeigt.
Bevorzugt umfasst das Ätzen des Substrats die Anbringung einer Struktur, die kongruent zur Mäanderstruktur für die Membran ist, um vertikale und horizontale Abschnitte sowie Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche nach einer Beschichtung bereitzustellen.
Alternativ können Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche durch eine Strukturierung oder eine Beschichtung durch den Einsatz einer Maskierung hergestellt werden. Ebenso kann es bevorzugt sein Schwächungsbereiche, beispielsweise in Form von Aussparungen mindestens einer Lage, durch ein nachträgliche Strukturierung (Ätzen) der Membran bereitzustellen.
Als Substrat kann z. B. eines der bevorzugten, vorstehend genannten Materialien verwendet werden. Beim Ätzen kann ein Rohling, beispielsweise ein Wafer, in die gewünschte Grundform der Mäanderstruktur gebracht werden. In einem nächsten Schritt werden bevorzugt die Lagen für die schwingfähige Membran aufgebracht.
Ein Aufbringen der mindestens einer Lage eines leitfähigen Materials umfasst bevorzugt neben dem Aufbringen einer Lage ebenso das Aufbringen mehrerer Lagen und insbesondere eines Lagensystems. Ein Lagensystem umfasst dabei mindestens zwei planvoll zueinander aufgebrachte Lagen. Das Aufbringen einer Lage oder eines Lagensystems dient bevorzugt der Definition der schwingfähigen Membran umfassend vertikale Abschnitte, welche zu horizontalen Schwingungen angeregt werden können.
In bevorzugten Ausführungsformen kann nach einer optionalen Aufbringung eines Ätzstopps eine Decklage in Form einer Polymerschicht beschichtet werden. Daraufhin kann es bevorzugt sein, die weiteren bevorzugten Schichten für die Membran aufzubringen und entsprechend zu strukturieren, um Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche, insbesondere Öffnungen, bereitzustellen. Sodann liegt eine Membran vor, welche als unterste Schicht eine Decklage vorzugsweise in Form einer Polymerschicht aufweist.
Ebenfalls kann es bevorzugt sein, die Decklage als letzte Schicht, d. h. im Rahmen einer Beschichtung als oberste Schicht, aufzubringen. Vorzugsweise erfolgt die Anbringung der Decklage in Form einer Polymerschicht als letzte Schicht nach einer Strukturierung von Schichten, um Korrugationen und/oder Schwächungsbereiche, insbesondere Öffnungen, an der Membran anzubringen. Mithin liegt eine Membran vor, die als oberste Schicht eine Polymerschicht aufweist.
Wie weiter oben erläutert, hat sich der Einsatz einer Decklage, insbesondere in Form einer Polymerschicht, zur Vermeidung von akustischen Kurzschlüssen als besonders vorteilhaft erwiesen. Dies ist insbesondere der Fall, sofern es bevorzugt ist, sämtliche weiteren Lagen einer Membran (z. B. Aktuatorlage, mechanische Stützlage und/oder Lage umfassend ein leifähiges Material) in den betreffenden Schwächungsbereichen auszusparen.
Bevorzugt kann das Aufbringen ausgesucht sein aus der Gruppe umfassend physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), insbesondere thermisches Verdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen, Molekularstrahlepitaxie, Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und/oder Atomlagenabscheidung (ALD).
Ein Ätzen und/oder eine Strukturierung kann bevorzugt ausgesucht sein aus der Gruppe umfassend Trockenätzen, nasschemisches Ätzen und/oder Plasmaätzen, insbesondere Reaktives lonenätzen, Reaktives lonentiefenätzen (Bosch-Prozess).
Sollte eine weitere Strukturierung der schwingfähigen Membran - beispielsweise zur Ausbildung von Schwächungsbereichen wie beschrieben - gewünscht sein, kann diese z. B. durch weitere Ätzprozesse vorgenommen werden. Ebenso kann zusätzliches Material abgeschieden werden oder eine Dotierung durch übliche Verfahren vorgenommen werden.
Zur Kontaktierung der Lagen kann zusätzlich geeignetes Material, wie z. B. Kupfer, Gold und/oder Platin durch gängige Prozesse abgeschieden werden. Hierfür können bevorzugt physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder elektrochemische Abscheidung zum Einsatz kommen.
Mittels der Prozessschritte kann eine fein strukturierte schwingfähige Membran mit einer gewünschten Definition von vertikalen und horizontalen Abschnitten bereitgestellt werden, welche bevorzugt zwischen zwei Seitenbereich eines stabilen Trägers aufgehangen sind und Abmessungen im Mikrometerbereich aufweist. Die Herstellungsschritte gehören zu Standardverfahrensschritten der Halbleiterprozessierung, sodass diese sich bewährt haben und zudem für eine Massenherstellung geeignet sind.
Die Erfindung soll im Folgenden unter Verweis auf weitere Figuren und Beispiele erläutert werden. Die Figuren und Beispiele dienen der Illustration bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, ohne diese zu beschränken.
FIGUREN
Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. 1 Schematische Darstellung von Korrugationen an vertikalen und horizontalen
Abschnitten
Fig. 2 Schematische Darstellung von bevorzugten Verfahrensschritten zur Herstellung eines MEMS-Wandlers
Fig. 3 Schematische Darstellung von Korrugationen an vertikalen und horizontalen Abschnitten
Fig. 4 Weitere schematische Darstellung von Korrugationen an vertikalen Abschnitten
Fig. 5 Schematische Darstellung von Schwächungsbereichen an horizontalen Abschnitten
Fig. 6 Simulationsergebnisse für das Schwingungsverhalten eines vertikalen Abschnittes im Falle der Einbringung von Korrugationen in angrenzenden horizontalen Abschnitten
Fig. 7 Schematische Darstellung von Schwächungsbereichen durch Bereitstellung von Aussparungen in der Top- oder Bottom-Elektrode
Fig. 8 Schematische Darstellung von Schwächungsbereichen durch eine Strukturierung der Aktuatorlage
Fig. 9 Schematische Darstellung von Schwächungsbereichen durch Bildung durchgehender Öffnungen
TI Fig. 10 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines MEMS- Wandlers umfassend eine Decklage in Form einer Polymerschicht
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Fig. 1 a, b illustriert eine schwingfähige Membran 1 eines MEMS-Wandlers, welche an ihren vertikalen Abschnitten 3 und horizontalen Abschnitten 5 Korrugationen 7 aufweist.
In Fig. 1 a wird ein rechteckiger Querschnitt der Korrugationen 7 gezeigt, während die Fig. 1 b einen trapezförmigen Querschnitt illustriert.
Vorteilhaft kann durch eine Ausgestaltung der geometrischen Form von einer oder mehreren Korrugationen 7 das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Membran 1 optimiert werden.
Zum einen führen die Korrugationen 7 zu einem höheren Rotationsgrad der vertikalen Abschnitte 3, wodurch eine besonders effiziente Auslenkbarkeit der schwingfähigen Membran gewähreistet wird. Zum anderen bewirken die Korrugationen vorteilhaft, dass bei der Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen die vertikalen Abschnitte eine besonders definierte Wölbung erfahren (vgl. Fig. 1 b). Ein potentielles Auftreten unregelmäßiger Knickungen (, buckling1 wird besonders wirksam verhindert.
Weiterhin erlaubt eine gezielte Einbringung von Korrugationen 7 höhere Amplituden der horizontalen Schwingungen.
Hierdurch kommt es beispielsweise im Falle eines MEMS-Lautsprechers zu einer höheren Verdrängung des Fluidvolumens zwischen den vertikalen Abschnitten 3, wodurch eine Steigerung des erzeugten Schalldruckpegels ermöglicht wird. Entsprechend kann im Falle eines MEMS-Mikrofons mehr Fluidvolumen zwischen den vertikalen Abschnitten aufgenommen und eine Sensitivität des Schalldetektors erhöht werden. Die besonders gleichmäßige Wölbung der vertikalen Abschnitte 7 während der horizontalen Schwingungen verringert zudem das Auftreten harmonischer Verzerrungen. Ein besonders gutes Klangbild sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Erzeugung von Druckwellen eines Fluids resultiert.
Fig. 2 zeigt bevorzugte Verfahrensschritte zur Herstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MEMS-Wandlers.
In Fig. 2 a wird ein Substrats 9 illustriert, welches zuvor ausgehend von einer Vorderseite zur Ausbildung eine Strukturierung geätzt wurde. In dem Ätzprozess wurden zum einen parallele tiefe Trenches (Taschen) in das Substrat 9 geformt, sodass die geformte Struktur einen Faltenbalg bzw. im Querschnitt einen Mäander darstellt. Zum anderen wurde in dem Ätzprozess in Abschnitten des Substrates 9, welche die horizontalen Abschnitte bilden werden, Erhebungen bzw. Vertiefungen zur Ausbildung der Korrugation bereitgestellt.
Fig. 2 b illustriert das Aufträgen eines Ätzstops 11 , welcher als Opferschicht fungiert und die vertikalen Abschnitten 3 und/oder die horizontalen Abschnitten 5 bei der rückseitigen Ätzung zur Freistellung der Membran schützen soll.
Auf den Ätzstop 9 wird eine Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 17 aufgebracht (Fig. 2 c). Bei dem mechanischen Stützmaterial 17 kann es sich vorzugsweise gleichzeitig um ein leitfähiges Material handeln, z. B. Polysilizium, sodass die Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 17 gleichzeitig als Bottom-Elektrode fungieren kann.
In Fig. 2 d wird eine mittlere Lage umfassend ein Aktuatormaterial 15 auf die Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 17 beschichtet. Bei dem Aktuatormaterial 15 kann es sich vorzugsweise um ein piezoelektrisches Material z.B. AIN handeln.
Anschließend wird in Fig. 2 e gezeigt, dass eine obere Lage umfassend ein leitfähiges Material 13 beschichtet wird, wobei die obere Lage 13 als Top-Elektrode fungieren wird.
Fig. 2 f zeigt die Auftragung eines Elektrodenpads zur Kontaktierung der oberen Lage aus einem leitfähigen Material 13, welche als Top-Elektrode fungiert sowie der unteren Lage aus einem leitfähigen, mechanischen Stützmaterial 17, welche als Bottom-Elektrode fungiert.
In Fig. 2 g wird das Substrat 9 von einer Rückseite geätzt, um die schwingfähige Membran 1 freizustellen und einen Träger 2 zu bilden. Der Träger 2 umfasst zwei Seitenbereiche, zwischen denen die schwingfähige Membran 1 in horizontaler Richtung angeordnet vorliegt. Die schwingfähige Membran 1 ist als Mäanderstruktur ausgebildet, wobei die Mäanderstruktur durch die vertikalen Abschnitte 3 und horizontalen Abschnitte 5 gebildet wird. Nach der Ätzung des Substrates weisen nunmehr die horizontalen Abschnitte 5 erfindungsgemäße Korrugationen 7 auf, welche zu einer deutlichen Verbesserung des Schwingungsverhalten der schwingfähigen Membran 1 führen.
Die in Fig. 2 h eingezeichneten Pfeile dienen der Darstellung der horizontalen Schwingungen der vertikalen Abschnitte 3. Insbesondere wird durch die Anbringung von Korrugationen 7 die Rotationsfreiheit der vertikalen Abschnitte 3 erhöht, sodass vorteilhaft eine Optimierung des Schwingungsverhaltens der schwingfähigen Membran 1 erlangt werden kann.
Fig. 3 zeigt weitere bevorzugte Ausführungsform einer schwingfähigen Membran 1 umfassend Korrugationen 7. Die dargestellten Korrugationen 7 weisen einen runden, teilkreisförmigen Querschnitt auf.
In Fig. 3 a liegen die Korrugationen 7 an den vertikalen Abschnitten 3 angebracht vor. Durch die Anbringung von Korrugationen 7 an den vertikalen Abschnitten 3 wird vorteilhaft die Biegesteifigkeit gesenkt, sodass eine höhere Auslenkbarkeit der vertikalen Abschnitte 3 erreicht werden kann.
Fig. 3 b stellt die schwingfähige Membran 1 aus Fig. 3 a dar. Allerdings sind nunmehr auch Korrugationen 7 an den horizontalen Abschnitten 5 angebracht, was sich weiter vorteilhaft auf die Rotationsfreiheit der vertikalen Abschnitte 3 auswirkt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von Korrugationen 7 an vertikalen Abschnitten 3 sowie nunmehr zusätzlich an den Verbindungsstellen zwischen horizontalen Abschnitten 5 und vertikalen Abschnitten 3.
Während Fig. 4 a eine Ausgangslage der vertikalen Abschnitte 3 zeigt, zeigt Fig. 4 b eine Auslenkung der vertikalen Abschnitte 3, bspw. durch Ansteuerung einer Elektrode. Die Korrugationen 7 gewährleisten eine gleichmäßige Wölbung, ohne Risiko eines Auftretens von unregelmäßigen Knickungen (englisch buckling).
Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform zur Ausbildung von Schwächungsbereichen 19 an horizontalen Abschnitten 5.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 1 mehrlagig ausgebildet. Eine untere Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 17 wird aus einem leitfähigen Material (hier: Polysilizium) gebildet, sodass die untere Lage aus einem mechanischen Stützmaterial 17 gleichzeitig sowohl als Bottom-Elektrode als auch als Trägerschicht fungiert. Auf der Lage aus einem Stützmaterial 17 liegt eine mittlere Lage umfassend ein Aktuatormaterial 15 (hier: Aluminiumnitrid AIN als eine piezoelektrische Schicht) sowie eine obere Lage umfassend leitfähiges Material 13 (hier: Aluminium) vor, welche als Top-Elektrode fungiert.
In Fig. 5 a ist die Schichtdicke der mittleren Aktuatorlage 15 im Vergleich zur Ausgangschichtdicke bereichsweise zur Ausbildung eines Schwächungsbereiches 19 reduziert.
In Fig. 5 b wird zusätzlich zur Variation der Schichtdicke der mittleren Aktuatorlage 15 die Schichtdicke der unteren Stützlage 17 im Vergleich zur Ausgangschichtdicke bereichsweise zur Ausbildung eines Schwächungsbereiches 19 reduziert.
Vorteilhaft können durch Schwächungsbereiche 19 ähnliche Effekte in Bezug auf eine Optimierung des Schwingungsverhalten der vertikalen Abschnitte 3 erzielt werden, wie durch eine Anbringung von Korrugationen.
Insbesondere erlaubt die Einbringung von Schwächungsbereichen 19 eine Verringerung der Steifigkeit horizontaler Abschnitte 5, sodass eine Auslenkbarkeit der vertikalen Abschnitte 3 erhöht wird. Die Pfeile in den Fig. 5 a und b illustrieren die resultierende verbesserte Bewegungs- bzw. Rotationsfreiheit der vertikalen Abschnitte 3.
In Fig. 6 werden die Ergebnisse einer Simulation eines Schwingungsverhaltens eines vertikalen Abschnittes 3 bei Anbringung von Korrugationen 7 an angrenzenden horizontalen Abschnitten gezeigt.
Wie in der Fig. 6 deutlich wird, kann durch die Anbringung von Korrugationen 7 an horizontalen Abschnitten 5 die Rotationsfreiheit der vertikalen Abschnitte 3 erhöht werden, wodurch eine besonders gleichmäßige Wölbung der vertikalen Abschnitte 3 resultiert, ohne dass unregelmäßige Knickungen (engl. buckling) auftreten.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung für eine bevorzugte Bereitstellung von Schwächungsbereichen 19 durch Bereitstellung von Aussparungen in der Top- oder Bottom- Elektrode. Die Schwächungsbereiche 19 sind mithin durch eine bereichsweise Reduzierung einer Schichtdicke der Lage eines leitfähigen Materials 13 (Top- oder Bottom-Elektrode) auf 0 % gekennzeichnet.
Fig. 7 a zeigt einen Ausschnitt eines horizontalen Abschnitts 5 mit einer Korrugation 7. Die Membran 1 umfasst eine obere Lage aus einem leitfähigen Material 13, welches als Top- Elektrode fungiert, eine Aktuatorlage 15 umfassend ein Aktuatormaterial sowie eine untere Lage aus einem leitfähigen Material 13, welches gleichzeitig als Stützlage 17 und Bottom-Elektrode fungiert. Der Schwächungsbereich 19 liegt derart vor, dass das leitfähige Material 13 bzw. die Top-Elektrode über den Bereich der Korrugation 7 fehlt. In dem Bereich, in dem die Top- Elektrode fehlt, kann im Gegensatz zum übrigen horizontalen Abschnitt 5 der Membran kein oder nur ein verringertes elektrisches Feld zwischen der Top- und Bottom-Elektrode ausgebildet sein. Die Aktuatorlage 15, vorzugsweise umfassend ein piezoelektrisches Material, welches sich zwischen der Top- und Bottom-Elektrode befindet, wird mithin im Bereich der Aussparung der Top-Elektrode nicht oder in geringerem Maße zu einer Formänderungen angeregt bzw. aktuiert.
Die verringerte Aktuierung resultiert mithin aus einer lokalen Verringerung des piezoelektrischen Effektes an der betreffenden Stelle. Hierdurch kann vorteilhaft das Schwingungsverhalten der Membran optimiert werden, indem eine Beweglichkeit angrenzender vertikaler Abschnitte erhöht und/oder unerwünschte Effekte wie Knickungen (engl.: Bückling) vermieden werden.
Fig 7 b zeigt einen Ausschnitt einer Membran mit einer Korrugation 7 entlang eines horizontalen Abschnitts 5. Die Membran umfasst eine Aktuatorlage 15 umfassend ein Aktuatormaterial, welche auf einer Lage aus einem leitfähigen Material 13 aufgebracht ist, welches gleichzeitig als Stützlage 17 fungiert. Hiermit wird ein Schwächungsbereich 19 derart bereitgestellt, dass das leitfähige Material 13 bzw. die Top-Elektrode nicht nur im Bereich der Korrugation 7, sondern auch in übrigen Bereichen des horizontalen Abschnitts 5 fehlt.
Fig. 7 c und 7 d zeigen analoge Ausführungsformen wie die Fig. 7 a und b, allerdings wird der Schwächungsbereich 19 durch Aussparungen in der unteren Lage eines leitfähigen Materials 13, gebildet welche sowohl als Bottom-Elektrode als auch als Stützlage 17 fungiert. Der Schwächungsbereich 19 liegt mithin derart vor, dass das leitfähige Material 13 bzw. die Bottom- Elektrode über den Bereich der Korrugation 7 fehlt. Neben dem Effekt eine reduzierten Aktuierung der Aktuatorlage 15, trägt das Fehlen der Stützlage 17 zur einer Reduktion der Steifigkeit der Membran 1 in dem Bereich bei und erlaubt eine Optimierung des Schwingungsverhaltens.
In Fig. 7 c liegt der Schwächungsbereich 19 liegt derart vor, dass das leitfähige Material 13 bzw. die Top-Elektrode im Bereich der Korrugation 7 fehlt. In der Fig 7 d wird ein Schwächungsbereich derart bereitgestellt, dass das leitfähige Material 13 bzw. die Bottom-Elektrode nicht nur im Bereich der Korrugation 7, sondern auch in übrigen Bereichen des horizontalen Abschnitts 5 fehlt bzw. ausgespart ist.
Vorzugsweise erstreckt sich die Aussparung der Lage aus einem leitfähigen Material 13 im Wesentlichen entlang der Dimension der Länge der flächigen Membran einer in den Abbildungen (nicht sichtbaren) Zeichnungstiefe. Es ist jedoch bevorzugt, dass Leiterbahnen oder verbleibende leitende Bereiche vorzusehen, welche eine endseitige Kontaktierung und durchgängigen Stromfluss in der Top- und/oder Bottom-Elektrode gewährleisten. So kann die Aussparung der Top- und/oder Bottom-Elektrode vorzugsweise im Wesentlichen entlang der gesamten Dimension der Länge der Membran vorliegen, wobei die Aussparung durch dünne (weniger als 20 pm, vorzugsweise weniger als 10 pm) leitende Bereiche oder Leiterbahnen unterbrochen wird. Um die Bildung der Schwächungsbereiche 19 zu illustrieren, wird in den Abbildungen vorzugsweise eine Querschnittsebene entlang der Dimension der Länge gezeigt, an denen die Aussparung sichtbar ist.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung für eine bevorzugte Bereitstellung von Schwächungsbereichen 19 durch Bereitstellung von Aussparungen in einer Aktuatorlage 15. Die Schwächungsbereiche 19 sind mithin durch eine bereichsweise Reduzierung einer Schichtdicke mindestens der Lage 15 eines Aktuatormaterials auf 0 % gekennzeichnet.
In den gezeigten Ausführungsformen wird eine bereichsweise Reduzierung einer Aktuierbarkeit der mithin durch ein Strukturieren der Aktuatorlage 15 - beispielsweise einer piezoelektrischen Aktuatorlage 15 - bewirkt werden.
Fig. 8 a zeigt eine Ausführungsform, bei der der horizontale Abschnitt 5 der Membran ein Schwächungsbereich 19 über den Bereich der Korrugation 7 autweist, indem eine Aktuatorlage 15 entlang der Korrugation 19 fehlt. Die obere Lage aus leitfähigem Material 13, welche als Top- Elektrode fungiert, ist in dem Bereich ebenfalls ausgespart.
Fig 8 b zeigt einen Ausschnitt einer Membran mit einer Korrugation 7 entlang eines horizontalen Abschnitts 5. Die Membran umfasst in dem Schwächungsbereich 19 lediglich eine Stützlage 17, welche leitfähig ist und gleichzeitig als Bottom-Elektrode fungiert. Hiermit wird ein Schwächungsbereich 19 derart bereitgestellt, dass sowohl das leitfähige Material 13 bzw. die Top-Elektrode als auch das die Aktuatorlage 15 nicht nur im Bereich der Korrugation 7, sondern auch in übrigen Bereichen des horizontalen Abschnitts 5 fehlt.
Fig. 8 c zeigt einen Ausschnitt einer Membran mit einer Korrugation 7 entlang eines horizontalen Abschnitts 5. Die Membran umfasst eine untere Lage aus einem leitfähigen Material 13, welches als Bottom-Elektrode und Stützlage 17 fungiert sowie eine obere Lage aus einem leitfähigen Material 13, welches eine Top-Elektrode bildet. Zwischen den Lagen des elektrisch leitfähigen Materials fehlt die Aktuatorlage 15. Stattdessen ist eine Isolationslage 23 eingebracht, welche durch ein dielektrisches Material gebildet wird. Auch in dieser Ausführungsform wird im Schwächungsbereich 19 eine Aktuierbarkeit der Membran 1 reduziert. Vorteilhaft ermöglicht der Austausch der Aktuatorlage 15 gegen eine Isolationslage 23 hierbei die Beibehaltung der gesamtheitlichen Dicke der Membran 15. Zudem kann es bevorzugt sein, durch die dielektrische Schicht eine mechanische Stabilität der Membran auch im Schwächungsbereich 19 zu gewährleisten.
In Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung von Schwächungsbereichen 19 durch Bildung durchgehender Öffnungen 21.
In Fig. 9 a wird der Querschnitt eines MEMS-Wandlers gezeigt, der eine Membran 1 umfassend vertikale Abschnitte 3 und horizontale Abschnitte 5 aufweist. Die Membran 1 erstreckt sich in horizontaler Richtung entlang eines Trägers 2, an dem die Membran 1 aufgehangen ist. Die Membran 1 umfasst eine leitfähige Stützlage 17, welche gleichzeitig als Bottom-Elektrode fungiert, eine Aktuatorlage 15 sowie darauf befindend eine obere Lage aus leitfähigem Material 13, welche als Top-Elektrode dient. In Fig. 9 a sind weiterhin an den horizontalen Abschnitten 5 gestrichelte Linien eingezeichnet, die symbolisieren sollen, dass sich an diesen Stellen der horizontalen Abschnitte 5 durchgehenden Öffnungen als Schwächungsbereichen 19 befinden. Die Schwächungsbereiche 19 werden mithin durch eine bereichsweise Reduzierung der Schichtdicke sämtlicher Lagen auf 0 % bereitgestellt.
Fig. 9 b zeigt eine Draufsicht des MEMS-Wandlers, wobei ersichtlich ist, dass Schwächungsbereiche 19 in Form von Öffnungen 21 in ein Reihe entlang der Dimension der Länge des horizontalen Abschnittes 5 aufgereiht sind. Die Top- und Bottom-Elektrode sind trotz der Öffnungen 21 weiterhin in der Fläche durchgängig leitfähig. Auch durch die Bereitstellung von Öffnungen 21 kann mithin eine Steifigkeit der horizontalen Abschnitte und/oder vertikalen Abschnitte lokal verringert werden kann, um das Schwingungsverhalten der Membran 1 zu optimieren. Die gewünschte Ausprägung der Reduktion der Steifigkeit kann insbesondere durch die geometrische Form der Öffnungen 21 und/oder der Anzahl der Öffnungen 21 eingestellt werden.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des MEMS- Wandlers. Wie auch in der gezeigten Ausführungsform der Fig. 9 umfasst die Membran 1 eine leitfähige Stützlage 17, welche gleichzeitig als Bottom-Elektrode fungiert, eine Aktuatorlage 15 sowie darauf befindend eine obere Lage aus leitfähigem Material 13, welche als Top-Elektrode dient. Die Schwächungsbereiche 19 werden in der Ausführungsform durch eine bereichsweise Reduzierung der Schichtdicke sämtlicher Lagen umfassend ein Aktuatormaterial, ein leitfähiges Material oder eine Stützmaterial auf 0 % einer Ausgangsdicke bereitgestellt. Mithin liegen die Schwächungsbereiche 19 als Aussparungen sämtlicher Lagen 13, 15 und 17 der Membran 1 vor.
Zur Vermeidung der Bildung durchgängiger Öffnungen durch die Membran 1 , ist es in der Ausführungsform bevorzugt, dass die Membran 1 eine Decklage 25, vorzugsweise in Form einer Polymerschicht, umfasst.
Die Bereitstellung einer Decklage 25, vorzugsweise in Form einer Polymerschicht, ist dahingehend vorteilhaft, dass unabhängig von der Größe der bereitzustellenden Aussparungen bzw. Öffnungen zuverlässig ein akustischer Kurzschluss vermieden wird. So kann es im Falle durchgängiger Öffnungen der Membran 1 mit Ausmaßen von ca. 5 pm oder mehr zu einem sogenannten akustischen Kurzschluss kommen. Der akustische Kurzschluss meint dabei bevorzugt eine Verminderung der Schallabstrahlung im Falle eines Lautsprechers oder Schallaufnahme im Falles eines Mikrofons durch einen unerwünschten Druckausgleich zwischen einer Rückseite und einer Vorderseite. Ein akustischer Kurzschluss kann insbesondere bei der Emission oder beim Empfang von Schall im niederfrequenten Bereich auftreten. Durch entsprechende Wahl geringer Dimensionen der Öffnungen kann ein derartiger Druckausgleich für die Frequenzen gewünschter Anwendungen vermieden werden.
Vorteilhaft wird durch den Einsatz einer Decklage 25, beispielsweise in Form einer Polymerschicht, das Auftreten eines akustischen Kurzschlusses auch für beliebig große Öffnungen vermieden. Dies erhöht die Designflexibilität in Bezug auf eine Bereitstellung von Schwächungsbereichen, welche als Öffnungen durch sämtliche Lage umfassend ein Aktuatormaterial, ein Stützmaterial oder ein elektrisch leitfähiges Material bereitgestellt werden.
In Fig. 10 ist dargestellt, dass die Decklage 25 auf einer Vorderseite der Membran 1 angebracht ist. Analog könnte die Decklage 25 auch auf einer Rückseite der Membran 1 angebracht sein. Die Decklage 25 erstreckt sich vorliegend im Wesentlichen ganzheitlich entlang der Membran 1. Alternativ könnte die Decklage auch als eine unterbrochene, diskontinuierliche Lage vorliegen, bei der jedoch mindestens eine Abdeckung der Schwächungsbereiche 19 gewährleistet wird.
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BEZUGSZEICHENLISTE
1 Schwingfahige Membran
2 Träger
3 Vertikaler Abschnitt
5 Horizontaler Abschnitt
7 Korrugation
9 Substrat
11 Ätzstop
13 Lage aus einem leitfähigem Material
15 Lage aus einem Aktuatormaterial (Aktuatorlage)
17 Lage aus einem mechanischem Stützmaterial (Stützschicht bzw. Stützlage)
19 Schwächungsbereiche
21 Öffnung
23 Isolationslage bzw. Isolationsschicht
25 Decklage, vorzugsweise in Form einer Polymerschicht

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . MEMS-Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom eines Fluids umfassend einen Träger (2) und eine schwingfähige Membran (1 ) zur Erzeugung oder Aufnahme von Druckwellen des Fluids in einer vertikalen Richtung, welche an dem Träger (2) befestigt und mit mindestens einer Elektrode kontaktiert vorliegt, wobei die schwingfähige Membran (1 ) vertikale Abschnitte (3) und horizontale Abschnitte
(5) aufweist, wobei die vertikalen Abschnitte (3) im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und die horizontalen Abschnitte (5) die vertikalen Abschnitte
(3) miteinander verbinden, sodass durch Ansteuerung der mindestens einen Elektrode die vertikalen Abschnitte (3) zu horizontalen Schwingungen anregbar sind oder sodass bei Anregung der vertikalen Abschnitte (3) zu horizontalen Schwingungen an der Elektrode ein elektrisches Signal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Abschnitte (3) und/oder die horizontalen Abschnitte (5) eine oder mehrere Korrugationen (7) und/oder Schwächungsbereiche (19) aufweisen.
2. MEMS-Wandler nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Korrugationen (7) und/oder Schwächungsbereiche (19) entlang der horizontalen Abschnitte (5), entlang der vertikalen Abschnitten (3) und/oder an Verbindungsstellen zwischen vertikalen Abschnitten (3) und horizontalen Abschnitten (5) vorliegen.
3. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines vertikalen Abschnitts (3) und/oder eines horizontalen Abschnitts (5) mindestens 1 , 2, 3, 4, 5 oder mehr Korrugationen (7) und/oder Schwächungsbereiche (19) angebracht sind.
4. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Korrugationen (7) einen rechteckigen, trapezförmigen, quadratischen, dreieckigen, teilkreisförmigen und/oder runden Querschnitt aufweisen und/oder die eine oder mehrere Korrugationen (7) eine Tiefe von 1 pm - 100 pm bevorzugt 2 pm - 20 pm und/oder eine Breite zwischen ca. 0,5 pm - 50 pm, bevorzugt zwischen 1 pm - 5 pm, aufweisen.
5. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Korrugationen (7) ein Aspektverhältnis von Breite zu Tiefe von 1 :1 oder mehr, bevorzugt von 1 :2 oder mehr aufweist. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Abschnitte (5) und/oder vertikalen Abschnitte (7) mehrlagig ausgebildet sind und wobei eine oder mehrere Schwächungsbereiche (19) durch eine Variation der Schichtdicke mindestens einer Lage bewirkt wird, wobei bevorzugt die Schichtdicke der mindestens einen Lage auf weniger als 70%, vorzugweise weniger als 60%, 50%, 40% oder weniger einer Ausgangsschichtdicke reduziert ist. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Abschnitte und/oder vertikalen Abschnitte mehrlagig ausgebildet sind und wobei eine oder mehrere Schwächungsbereiche durch eine bereichsweise Reduzierung einer Schichtdicke mindestens einer Lage auf 0 % gebildet werden, welche vorzugsweise eine Lage umfassend ein leitfähiges Material (13), eine Lage umfassend ein Stützmaterial (17) und/oder eine Lage umfassend ein Aktuatormaterial (15) ist. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Ausgestaltung der einen oder mehrere Korrugationen (7) und/oder Schwächungsbereiche (19), bevorzugt hinsichtlich einer Tiefe, Breite, Schichtdicke, Geometrie und/oder Anzahl, eine Steifigkeit der horizontalen Abschnitte (5) und/oder vertikalen Abschnitte (7) einstellbar ist, um ein Schwingungsverhalten der vertikalen Abschnitte (5) zu optimieren. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung von einer oder mehrere Korrugationen (7) und/oder Schwächungsbereichen (19) an den horizontalen Abschnitten (5) und/oder vertikalen Abschnitten (3) eine Rotationsfreiheit der vertikalen Abschnitte (3) erhöht, um ein Schwingungsverhalten der vertikalen Abschnitte (5) zu optimieren. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehrere Korrugationen (7) vertikalen Abschnitten (7) und/oder an Verbindungsstellen zwischen vertikalen Abschnitten (3) und horizontalen Abschnitten (5) vorliegen, wobei bevorzugt die eine oder mehrere Korrugationen (7) durch einen Ätzprozess während einer Formung vertikaler Trenches für die vertikalen Abschnitte (3) bereitstellbar sind. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Wandler ein MEMS-Lautsprecher ist, wobei bevorzugt zwischen den vertikalen Abschnitten (3) Luftvolumina vorliegen, welche durch die horizontalen Schwingungen zur Erzeugung von Schallwellen entlang einer vertikalen Emissionsrichtung bewegt werden oder der MEMS-Wandler ein MEMS-Mikrofon ist, wobei bevorzugt zwischen den vertikalen Abschnitten (3) Luftvolumina vorliegen, welche bei Aufnahme von Schallwellen entlang einer vertikalen Detektionsrichtung bewegt werden. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Membran (1 ) mindestens zwei Lagen umfasst, wobei beide Lagen ein Aktuatormaterial (15) umfassen und mit jeweils einer Elektrode kontaktiert vorliegen und die horizontalen Schwingungen durch eine Formänderung der einen Lage gegenüber der anderen Lage erzeugbar sind oder die horizontale Schwingungen zu einer Formänderung der einen Lage gegenüber der anderen Lage führen und ein elektrisches Signal erzeugen. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Membran (1 ) mindestens zwei Lagen umfasst, wobei eine erste Lage umfassend ein Aktuatormaterial (15) und eine zweite Lage ein mechanisches Stützmaterial (17) umfasst, wobei mindestens die erste Lage umfassend das Aktuatormaterial (15) mit der Elektrode kontaktiert vorliegt, sodass horizontale Schwingungen durch eine Formänderung der Aktuatormaterials gegenüber dem mechanischen Stützmaterial erzeugbar sind oder sodass horizontale Schwingungen zu einer Formänderung des Aktuatormaterials gegenüber dem mechanischen Stützmaterial führen und ein elektrisches Signal erzeugen. MEMS-Wandler nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Membran (1 ) drei Lagen umfasst, wobei eine obere Lage von einem leitfähigen Material (13) gebildet wird und als Top-Elektrode fungiert, eine mittlere Lage (15) von einem Aktuatormaterial gebildet wird und eine untere Lage von einem leitfähigen Material (13) gebildet wird und als Bottom-Elektrode fungiert, wobei das leitfähige Material der oberen und/oder untere Lage bevorzugt ein mechanisches Stützmaterial (17) ist. Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Wandlers nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche umfassend folgende Schritte:
Ätzen eines Substrats (9), vorzugsweise von einer Vorderseite, zur Ausbildung einer Strukturierung, vorzugsweise einer Mäanderstruktur, und zur vorzugsweisen Ausbildung von Korrugationen (7), optionales Aufträgen eines Ätzstops (11 ),
Aufbringen mindestens zweier Lagen, wobei mindestens eine erste Lage ein Aktuatormaterial (15) und eine zweite Lage ein mechanischen Stützmaterial (17) umfassen oder mindestens zwei Lagen ein Aktuatormaterial (15) umfassen, wobei vorzugsweise im Prozess der Aufbringung der mindestens zweier Lagen oder durch ein nachträgliches Ätzen einer oder mehrere Schwächungsbereiche (19) bereitgestellt werden.
Kontaktieren der ersten und/oder zweiten Lage mit einer Elektrode
Ätzen des Substrats (9), vorzugsweise von der Rückseite, und optionale Entfernung des Ätzstops (11 ), sodass die schwingfähige Membran (1 ) zur Ausführung von Schwingungen an dem Träger (2) befestigt wird, wobei die schwingfähige Membran (1 ) vertikale Abschnitte (3) und horizontale Abschnitte (5) aufweist, wobei die vertikalen Abschnitte (3) im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung ausgebildet sind und die horizontalen Abschnitte (5) die vertikalen Abschnitte (3) miteinander verbinden, wobei die vertikalen Abschnitte (3) und/oder die horizontalen Abschnitte (5) eine oder mehrere Korrugationen (7) und/oder Schwächungsbereiche (19) aufweisen, sodass durch Ansteuerung der Elektrode die vertikalen Abschnitte (5) zu horizontalen Schwingungen angeregt oder bei Anregung der vertikalen Abschnitte (5) zu horizontalen Schwingungen an der Elektrode ein elektrisches Signal erzeugt werden kann.
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