DE102016212717A1

DE102016212717A1 - Detection device for piezoelectric microphone

Info

Publication number: DE102016212717A1
Application number: DE102016212717.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Buck; Kerrin DOESSEL; Fabian Purkl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2018-01-18
Also published as: WO2018011048A1

Abstract

Detektionseinrichtung (100) für ein piezoelektrisches Mikrofon (200), aufweisend: – einen Ausleger mit wenigstens drei aufeinander angeordneten Schichten (40, 50), wobei wenigstens eine der Schichten (40) eine piezoelektrische Schicht ist; – wobei auf beiden Oberfläche der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht (40) jeweils eine Elektrodenschicht (50) angeordnet ist; – wobei ein Schichtstress der Schichten (40, 50) derart ist, dass ein freies Ende des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.A piezoelectric microphone (200) detecting device (100), comprising: - a cantilever having at least three layers (40, 50) arranged thereon, at least one of the layers (40) being a piezoelectric layer; - Wherein on each surface of the at least one piezoelectric layer (40) is arranged in each case an electrode layer (50); - wherein a layer stress of the layers (40, 50) is such that a free end of the cantilever is defined aligned in a cavity formed below the cantilever.

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon.The invention relates to a detection device for a piezoelectric microphone. The invention further relates to a method for producing a detection device for a piezoelectric microphone.

Stand der TechnikState of the art

MEMS-Mikrofone sind im Prinzip extrem sensitive Drucksensoren, die Schalldruck in ein elektrisches Signal wandeln, während ein Leckpfad für einen statischen Druckausgleich zwischen Volumina vor und hinter den Mikrofonen sorgt. Sie bestehen aus wenigstens einer freistehenden Struktur, die zur Umgebung exponiert ist und die sich entsprechend einem einwirkenden Schalldruck bewegt. Bisher sind die meisten in Consumer-Applikationen verwendeten Mikrofone kapazitive MEMS-Mikrofone. Für diese Einrichtungen wird eine Bewegung einer Membran durch eine Messung einer Kapazität zwischen der Membran und einer perforierten Gegenelektrode, die vor oder hinter der Membran positioniert ist, erfasst.In principle, MEMS microphones are extremely sensitive pressure sensors that convert sound pressure into an electrical signal, while a leak path provides static pressure equalization between volumes in front of and behind the microphones. They consist of at least one freestanding structure which is exposed to the environment and which moves according to an acting sound pressure. So far most microphones used in consumer applications are capacitive MEMS microphones. For these devices, movement of a membrane is detected by measuring a capacitance between the membrane and a perforated counter electrode positioned in front of or behind the membrane.

Ein alternatives bekanntes Grundprinzip, welches die Detektion der Bewegung der freistehenden Struktur erlaubt, basiert auf dem direkten piezoelektrischen Effekt. In einem derartigen Mikrofon wird durch das Durchbiegen einer Struktur eine piezoelektrische Schicht beeinflusst, woraufhin auf ihrer Oberfläche eine elektrische Ladung entsteht. Diese Ladung kann als eine elektrische Ausgangsspannung erfasst und ausgewertet werden.An alternative known basic principle allowing the detection of the movement of the freestanding structure is based on the direct piezoelectric effect. In such a microphone, the bending of a structure affects a piezoelectric layer, whereupon an electrical charge is generated on its surface. This charge can be detected and evaluated as an electrical output voltage.

In der Vergangenheit waren derartige Mikrofone allerdings wenig sensitiv, was sie für Consumer-Applikationen unbrauchbar machte. Neuerdings zeigen Designs jedoch bedeutsame Verbesserungen auf diesem Gebiet, die in piezoelektrischen Mikrofonen mit brauchbarem Sensitivitätsbereich resultieren. Für jede Art von Mikrofon wird ein sogenannter „akustischer Leckpfad“ zwischen dem Rückvolumen des Mikrofons und einer Umgebung implementiert, um Einflüsse von im Vergleich zu akustischem Schall langsamen Umgebungsdruckänderungen zu eliminieren. Zu diesem Zweck enthält die Struktur typischerweise ein oder mehrere Löcher bzw. Schlitze, welche zwischen einem Volumen vor und hinter der Membran einen Druckausgleich erlauben. In the past, however, such microphones were not very sensitive, which made them useless for consumer applications. Recently, however, designs show significant improvements in this field resulting in piezoelectric microphones with a useful range of sensitivity. For each type of microphone, a so-called "acoustic leak path" is implemented between the back volume of the microphone and an environment to eliminate the effects of slow ambient pressure changes compared to acoustic sound. For this purpose, the structure typically includes one or more holes or slots which allow pressure equalization between a volume in front of and behind the membrane.

Diese Lecklöcher (oder Schlitze) können in einem elektrischen Ersatzschaltbild als Widerstände dargestellt werden, während das Volumen hinter der Membran durch eine Kapazität dargestellt werden kann. Ein Produkt dieser beiden Elemente (R × C) definiert eine Zeitkonstante des Sensorelements, die den unteren Bereich des sensitiven Frequenzbereichs des Mikrofons repräsentiert. Es ist entscheidend, dass diese Frequenz während eines Herstellungsprozesses mit möglichst geringen Toleranzen gehalten wird, um eine bestmögliche Leistungsfähigkeit und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.These leak holes (or slots) may be represented as resistors in an equivalent electrical circuit, while the volume behind the diaphragm may be represented by a capacitance. A product of these two elements (R × C) defines a time constant of the sensor element that represents the lower range of the sensitive frequency range of the microphone. It is crucial that this frequency be kept within the manufacturing process with the lowest possible tolerances to ensure the best possible performance and reproducibility.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon bereit zu stellen.It is an object of the present invention to provide an improved detection device for a piezoelectric microphone.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon, aufweisend:

– einen Ausleger mit wenigstens drei aufeinander angeordneten Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten eine piezoelektrische Schicht ist;
– wobei auf beiden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht jeweils eine Elektrodenschicht angeordnet ist;
– wobei ein Schichtstress der Schichten derart ist, dass ein freies Ende des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.

According to a first aspect, the object is achieved with a detection device for a piezoelectric microphone, comprising:

A cantilever having at least three superposed layers, at least one of the layers being a piezoelectric layer;
- Wherein each electrode layer is disposed on both surfaces of the at least one piezoelectric layer;
- wherein a layer stress of the layers is such that a free end of the cantilever is defined aligned in a cavity formed below the cantilever.

Auf diese Weise kann vorteilhaft erreicht werden, dass ein akustischer Leckpfad und eine Änderung desselben deutlich geringer ausfällt, weil sich der Ausleger auf das Substrat zuneigt. Eine Ermittlungsgenauigkeit des piezoelektrischen Mikrofons kann auf diese Weise vorteilhaft bedeutend erhöht sein.In this way, it can be advantageously achieved that an acoustic leak path and a change of the same is significantly lower, because the boom is inclined to the substrate. A detection accuracy of the piezoelectric microphone may advantageously be significantly increased in this way.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon, aufweisend die Schritte:

– Bereitstellen eines Substrats;
– Ausbilden eines Auslegers aus wenigstens drei aufeinander angeordneten, auf dem Substrat aufgebrachten Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten eine piezoelektrische Schicht ist, wobei auf beiden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht jeweils eine Elektrodenschicht angeordnet wird, wobei der Ausleger derart ausgebildet wird, dass ein freies Ende des Auslegers aufgrund von Schichtstress der Schichten in Relation zu einer Horizontallage des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.

According to a second aspect, the object is achieved with a method for producing a detection device for a piezoelectric microphone, comprising the steps:

- Providing a substrate;
Forming a cantilever of at least three layers deposited on the substrate, wherein at least one of the layers is a piezoelectric layer, wherein on both surfaces of the at least one piezoelectric layer in each case an electrode layer is arranged, wherein the cantilever is formed such that a free end of the cantilever due to layer stress of the layers in relation to a horizontal position of the cantilever is defined aligned in a cavity formed below the cantilever.

Bevorzugte Ausführungsformen der Detektionseinrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the detection device are the subject of dependent claims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Detektionsrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen drei Elektrodenschichten zwei piezoelektrische Schichten angeordnet sind. Auf diese Weise kann mittels der Detektionseinrichtung ein besonders hoher Signalpegel für das piezoelektrische Mikrofon generiert werden.An advantageous development of the detection direction is characterized in that two piezoelectric layers are arranged between three electrode layers. In this way, by means of the detection device a particular high signal level for the piezoelectric microphone are generated.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine der Elektrodenschichten eine nicht-piezoelektrische Schicht mit definierten mechanischen Eigenschaften ist. Dadurch ist eine Designvielfalt für die Detektionseinrichtung vorteilhaft erhöht. Mittels der nicht-piezoelektrischen Schicht kann eine neutrale Faser aus der piezoelektrischen Schicht gewissermaßen „herausgeschoben“ werden. Die definierten Eigenschaften der nicht-piezoelektrischen Schicht sind derart, dass bei Auslenkung des Schichtstapels als Folge von Schalleinwirkung ein elektrisches Signal erzeugt wird.A further advantageous development of the detection device is characterized in that one of the electrode layers is a non-piezoelectric layer with defined mechanical properties. As a result, a design variety for the detection device is advantageously increased. By means of the non-piezoelectric layer, a neutral fiber can be effectively "pushed out" of the piezoelectric layer. The defined properties of the non-piezoelectric layer are such that upon deflection of the layer stack as a result of sound, an electrical signal is generated.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Detektionseinrichtung sieht vor, dass der Ausleger in Relation zu einer Horizontallage um ca. 1µm bis ca. 10µm, vorzugsweise um ca. 3µm bis ca. 6µm nach unten geneigt ist. Auf diese Weise wird ein günstiges Ausmaß einer Ausrichtung des Auslegers nach unten bereitgestellt, wodurch ein akustischer Leckpfad für das piezoelektrische Mikrofon klein gehalten werden kann. Eine Detektionsgüte des piezoelektrischen Mikrofons ist auf diese Weise sehr gut reproduzierbar.A further advantageous development of the detection device provides that the boom is inclined downwards in relation to a horizontal position by approximately 1 μm to approximately 10 μm, preferably by approximately 3 μm to approximately 6 μm. In this way, a favorable amount of downward orientation of the cantilever is provided, whereby an acoustic leak path for the piezoelectric microphone can be kept small. A detection quality of the piezoelectric microphone is very easy to reproduce in this way.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Ausleger in Relation zu einer Kante des Substrats definiert ausgerichtet wird. Dadurch kann eine exakte Dimensionierung des akustischen Leckpfads des piezoelektrischen Mikrofons realisiert werden.An advantageous development of the method provides that the boom is aligned in relation to an edge of the substrate defined. As a result, an exact dimensioning of the acoustic leak path of the piezoelectric microphone can be realized.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Substrat zur Ausbildung der Kante von oberhalb des Substrats kommend geätzt wird. Auf diese Weise kann zum Beispiel mittels eines bewährten Ätzschritts eine Anordnung einer Substratkante relativ zum Ausleger sehr genau definiert werden. Im Ergebnis ist dadurch eine präzise Ausgestaltung des akustischen Leckpfads des piezoelektrischen Mikrofons möglich.A further advantageous development of the method provides that the substrate for the formation of the edge is etched coming from above the substrate. In this way, for example, by means of a proven etching step, an arrangement of a substrate edge relative to the cantilever can be defined very precisely. As a result, a precise design of the acoustic leak path of the piezoelectric microphone is possible.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Loch mit flüssigem Füllmaterial verfüllt wird. Dadurch kann vorteilhaft ein Planarisierungsschritt eingespart werden, wodurch eine effiziente Fertigung der Detektionseinrichtung unterstützt ist.A further advantageous development of the method provides that a hole is filled with liquid filling material. As a result, advantageously a planarization step can be saved, whereby an efficient production of the detection device is supported.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Schichtstress der Schichten durch wenigstens einen der folgenden Parameter eingestellt wird: Druck während eines Abscheidevorgangs der Schichten, Temperatur während des Abscheidevorgangs der Schichten, elektrische Spannung zwischen Abscheidequelle und Substrat während des Abscheidevorgangs der Schichten, Materialauswahl der Schichten, Schichtdicken der Schichten nach erfolgtem Abscheidevorgang.A further advantageous development of the method provides that the layer stress of the layers is set by at least one of the following parameters: pressure during a deposition process of the layers, temperature during the deposition process of the layers, electrical voltage between deposition source and substrate during the deposition process of the layers, material selection the layers, layer thicknesses of the layers after the deposition process.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass Öffnungen im Substrat mittels reaktivem Ionentiefätzen oder mittels nasschemischem Ätzen erzeugt werden. Auf diese Weise werden bewährte Verfahren verwendet, mit denen das Substrat mit einer hohen Ätzrate definiert geätzt werden kann. Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu.A further advantageous development of the method provides that openings in the substrate are produced by means of reactive ion etching or by wet-chemical etching. In this way, proven techniques are used to etch the substrate at a high etch rate. The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. In this case, all disclosed features, regardless of their relationship in the claims and regardless of their representation in the description and in the figures form the subject of the present invention. Same or functionally identical elements have the same reference numerals. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily to scale.

Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zur Herstellung der Detektionseinrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen der Detektionseinrichtung ergeben und umgekehrt.Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the method for producing the detection device result analogously from corresponding embodiments, features and advantages of the detection device and vice versa.

In den Figuren zeigt:In the figures shows:

1 einen Querschnitt durch ein herkömmliches kapazitives MEMS-Mikrofon; 1 a cross section through a conventional capacitive MEMS microphone;

2 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Mikrofons; 2 a cross-sectional view of a conventional piezoelectric microphone;

3 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon; 3 a perspective view of a conventional detection device for a piezoelectric microphone;

4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren herkömmlichen Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon; 4 a perspective view of another conventional detection device for a piezoelectric microphone;

5 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Detektionseinrichtung; 5 a cross-sectional view of a conventional detection device;

6 und 7 Querschnittsansichten durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung; 6 and 7 Cross-sectional views through an embodiment of a detection device according to the invention;

8 einen Ablauf eines Herstellungsverfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon; 8th a flow of a manufacturing method for producing a piezoelectric detection device for a piezoelectric microphone;

9 eine Variante eines Verfahrens zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon; 9 a variant of a method for producing a detection device for a piezoelectric microphone;

10 eine weitere Variante einer Herstellungsprozesses zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon; 10 a further variant of a manufacturing process for producing a detection device for a piezoelectric microphone;

11 eine prinzipielle Darstellung eines Blockschaltbild eines piezoelektrisches Mikrofons mit einer vorgeschlagenen Detektionseinrichtung; und 11 a schematic representation of a block diagram of a piezoelectric microphone with a proposed detection device; and

12 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon. 12 a basic sequence of a method for producing a detection device for a piezoelectric microphone.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen Ausleger (engl. cantilever) einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon derart auszubilden, dass er nach einem Herstellungsprozess gegenüber einer Horizontallage definiert nach unten auf ein Substrat zu geneigt ist. Auf diese Weise kann ein akustischer Leckpfad möglichst vorteilhaft gering gehalten werden, wodurch Detektionseigenschaften (z.B. ein Frequenzgang) für das piezoelektrische Mikrofon bedeutsam verbessert sind.A basic idea of the invention is to design a cantilever of a detection device for a piezoelectric microphone in such a way that, after a manufacturing process, it is inclined towards a horizontal position, downwardly inclined towards a substrate. In this way, an acoustic leak path can be kept as low as possible, which significantly improves detection characteristics (e.g., a frequency response) for the piezoelectric microphone.

1 zeigt einen Querschnitt durch eine Detektionseinrichtung 100 eines herkömmlichen kapazitiven MEMS-Mikrofons (engl. micro-electro-mechanical system). Eine Bewegung/Auslenkung einer Membran 10 wird durch eine Änderung einer Kapazität zwischen der Membran 10 und einer perforierten Rückplatte 20 mit Perforationen 21 erfasst. Ein Hauptnachteil dieses Ansatzes, der für alle kapazitiven MEMS-Mikrofone gilt, ist das Erfordernis einer zweiten Elektrode in Form der Rückplatte 20. Dies begrenzt die Bewegung der Membran 10 und dadurch den Dynamikbereich des Mikrofons und generiert auch ein Zusatzrauschen aufgrund eines Luftwiderstands zwischen der Membran 10 und der Rückplatte 20. Ein akustischer Leckpfad 30 ist vorgesehen, um einen statischen Druckausgleich zu ermöglichen. 1 shows a cross section through a detection device 100 a conventional capacitive MEMS microphone (micro-electro-mechanical system). A movement / deflection of a membrane 10 is due to a change in a capacity between the membrane 10 and a perforated back plate 20 with perforations 21 detected. A major disadvantage of this approach, which applies to all capacitive MEMS microphones, is the requirement for a second electrode in the form of the backplate 20 , This limits the movement of the membrane 10 and thereby the dynamic range of the microphone and also generates additional noise due to air resistance between the membrane 10 and the back plate 20 , An acoustic leak path 30 is provided to allow a static pressure equalization.

2 zeigt einen Querschnitt durch eine Detektionseinrichtung 100 eines herkömmlichen piezoelektrischen Mikrofons, die den oben genannten Nachteil durch Einfügung eines Sensorelements in die Membran löst. Dies erlaubt einen potenziell größeren Dynamikbereich und entfernt auf diese Weise eine Rauschquelle, was potenziell in einer Konzeption von leistungsfähigeren Mikrofonen resultiert. 2 shows a cross section through a detection device 100 a conventional piezoelectric microphone which solves the above drawback by inserting a sensor element into the diaphragm. This allows a potentially larger dynamic range and thus removes a noise source, potentially resulting in a design of more powerful microphones.

Das Grundprinzip ist dabei eine Verwendung eines piezoelektrischen Materials für Schichten 40, zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN) oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder eines anderen geeigneten Materials, welches eine elektrische Ladung erzeugt und daraus resultierend eine elektrische Spannung auf seiner Oberfläche, wenn es einer mechanischen Druck- bzw. Zugspannung ausgesetzt ist. Erzeugte elektrische Ladungen in den Schichten 40 können mittels Detektorschichten 50 (zum Beispiel in Form von Molybdän) erfasst werden.The basic principle is a use of a piezoelectric material for layers 40 , For example, aluminum nitride (AlN) or lead zirconate titanate (PZT) or other suitable material which generates an electrical charge and, as a result, an electrical voltage on its surface when it is subjected to a mechanical compressive or tensile stress. Generated electric charges in the layers 40 can by means of detector layers 50 (for example, in the form of molybdenum) are detected.

Ein gemeinsames Problem aller piezoelektrischen Mikrofone sind intrinsische Stressgradienten, die in den piezoelektrischen Schichten nach dem Abscheideprozess vorhanden sind, die sich in aus der Ebene gerichteten (engl. out-of-plane) Auslenkungen der Sensierstrukturen manifestieren. Diese Auslenkungen erzeugen einen großen akustischen Leckpfad zwischen den einzelnen Sensierelementen oder zwischen einem Sensierelement und der Öffnung im Substrat. Dieser Leckpfad vermindert die Leistungsfähigkeit und den Frequenzgang des Mikrofons. Zusätzlich kann die Höhe des Stressgradienten typischerweise über den Wafer und zwischen Wafern während der Herstellung variieren, was sich in einer teilweise undefinierten Leistungsfähigkeit der Mikrofone auswirkt.A common problem of all piezoelectric microphones are intrinsic stress gradients that are present in the piezoelectric layers after the deposition process, manifesting in out-of-plane deflections of the sensing structures. These deflections create a large acoustic leak path between the individual sensing elements or between a sensing element and the opening in the substrate. This leak path reduces the performance and frequency response of the microphone. Additionally, the level of stress gradient may typically vary across the wafer and between wafers during fabrication, resulting in a partially undefined microphone performance.

3 zeigt einen akustischen Leckpfad einer Detektionseinrichtung 100, der aus einer Deformation aufgrund von intrinsischen Stressgradienten resultiert. Man erkennt, dass zwei piezoelektrische Schichten 40 gegeneinander ausgerichtet sind und sich aufwölben, wodurch an der linken Seite ein vergrößerter akustischer Leckpfad in Form eines Spalts der Detektionseinrichtung 100 entsteht. 3 shows an acoustic leak path of a detection device 100 which results from deformation due to intrinsic stress gradients. It can be seen that two piezoelectric layers 40 are aligned with each other and bulge, whereby on the left side of an enlarged acoustic leak path in the form of a gap of the detection device 100 arises.

4 zeigt ein bekanntes Prinzip zur Minimierung eines derartigen akustischen Leckpfads. In diesem Fall werden dreieckförmig ausgebildete Schichten 40 aufeinander zugerichtet, wodurch eine gleichartige Verbiegung bzw. Aufwölbung generiert wird, was einen etwas verringerten akustischen Leckpfad zur Folge hat. 4 shows a known principle for minimizing such an acoustic leak path. In this case, triangular-shaped layers 40 directed towards each other, whereby a similar bending or bulge is generated, which has a slightly reduced acoustic leak path result.

Typischerweise kann der Mittelwert des Stressgrads der Schichten während der Abscheidung beeinflusst werden. Zum Beispiel kann der Schichtstress im Falle, dass die Schichten mittels Sputterings abgeschieden werden, durch spezifische Parameter während des Abscheideprozesses beeinflusst werden, wie zum Beispiel Druck, elektrische Spannung zwischen Target und Substrat (engl. bias power) und Temperatur. Zusätzlich kann der Effekt bis zu einem gewissen Ausmaß von Reststress durch eine Abscheidung von zusätzlichen Schichten mit einem entgegengesetzten Stresspegel reduziert werden. Allerdings können die genannten Prinzipien den Schichtstress nur bis zu einem gewissen Grad kompensieren und können insbesondere nicht genutzt werden, um die Variation der Stresspegel zwischen verschiedenen Einrichtungen zu reduzieren.Typically, the mean stress level of the layers during deposition may be affected. For example, in case the layers are deposited by sputtering, the layer stress may be affected by specific parameters during the deposition process, such as pressure, electrical voltage between target and substrate (bias power), and temperature. In addition, the effect can be reduced to some extent by residual stress by deposition of additional layers with an opposite level of stress. However, the above principles can only compensate for the layer stress to a certain extent and in particular can not be used to reduce the variation of stress levels between different devices.

5 zeigt die Problematik des vergrößerten akustischen Leckpfads. Erkennbar ist eine Detektionseinrichtung 100 für ein piezoelektrisches Mikrofon (nicht dargestellt) mit einem Schichtstapel bzw. Ausleger mit zwei aufeinander angeordneten Schichten 40, 41, die beide piezoelektrische Schichten darstellen. Der Schichtstapel ist mittels einer Fixiereinrichtung 60 fixiert, wobei jeweils eine Elektrode 50 auf, unter und zwischen den Schichten 40, 41 angeordnet ist, um elektrische Ladungen in Form eines elektrischen Stromes zu erfassen und abzuleiten bzw. eine elektrische Spannung zu messen. Angedeutet sind mittels Pfeilen in den beiden Schichten 40, 41 wirkende Zug- und Druckkräfte, die durch entsprechende Stressgradienten aufgrund eines Abscheideprozesses der Schichten 40, 41 erzeugt werden. Aufgrund des Stressgradienten ist erkennbar, dass sich der Schichtstapel noch oben biegt, was den akustischen Leckpfad unerwünschter Weise vergrößert und eine Leistungsfähigkeit des piezoelektrischen Mikrofons bedeutsam vermindern kann. 5 shows the problem of the enlarged acoustic leak path. Recognizable is a detection device 100 for a piezoelectric microphone (not shown) with a layer stack or cantilever with two layers arranged on top of each other 40 . 41 , which are both piezoelectric layers. The layer stack is by means of a fixing device 60 fixed, with one electrode each 50 on, under and between the layers 40 . 41 is arranged to detect and dissipate electrical charges in the form of an electric current or to measure an electrical voltage. Indicated by means of arrows in the two layers 40 . 41 acting tensile and compressive forces caused by corresponding stress gradients due to a deposition process of the layers 40 . 41 be generated. Due to the stress gradient, it can be seen that the layer stack is still bending upwards, which undesirably increases the acoustic leak path and can significantly reduce the performance of the piezoelectric microphone.

Vorgeschlagen werden eine Detektionsvorrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Detektionsvorrichtung, um sowohl den akustischen Leckpfad als auch eine Variation dieses Leckpfads, der von intrinsischen Stressgradienten erzeugt wird, zu verkleinern.Proposed are a piezoelectric microphone detection device and a method of manufacturing such a detection device to reduce both the acoustic leak path and a variation of this leakage path generated by intrinsic stress gradients.

Zu diesem Zweck erfolgt eine definierte Einstellung des Stressgradienten im strukturellen Schichtstapel, der in einer definiert nach unten gerichteten Auslenkung der freistehenden Struktur in Richtung auf das Substrat hin resultiert und in eine Kavität zeigt, die zuvor im Substrat ausgebildet wurde.For this purpose, a defined adjustment of the stress gradient in the structural layer stack ensues, which results in a defined downward deflection of the freestanding structure in the direction of the substrate and points into a cavity which was previously formed in the substrate.

Vorteilhaft und optional kann die genannte Kavität im Substrat vor der Abscheidung der strukturellen Schichten durch einen vorderseitigen Ätzprozess erzeugt werden, um Herstellungstoleranzen zwischen dem Ort und der Größe der Kavität und der Positionierung der freistehenden Struktur zu reduzieren.Advantageously and optionally, said cavity may be formed in the substrate prior to the deposition of the structural layers by a front side etching process to reduce manufacturing tolerances between the location and size of the cavity and the positioning of the freestanding structure.

Dabei ist vorgesehen, während des Abscheideprozesses den Schichtstress derart einzustellen, dass im Ergebnis der Schichtstapel stets leicht nach unten gewölbt ausgerichtet ist.It is provided during the deposition process to adjust the layer stress such that, as a result, the layer stack is always slightly curved downwards.

Die 6 und 7 zeigen eine derartige Auslenkung des Auslegers. Die Detektionseinrichtungen 100 von 6 und 7 umfassen zwei piezoelektrische Schichten 40, 41, wobei jede der beiden piezoelektrischen Schichten 40, 41 jeweils zwischen zwei Elektrodenschichten 50 angeordnet ist.The 6 and 7 show such a deflection of the boom. The detection devices 100 from 6 and 7 comprise two piezoelectric layers 40 . 41 wherein each of the two piezoelectric layers 40 . 41 each between two electrode layers 50 is arranged.

In 6 ist eine minimale Auslenkung des Auslegers aufgrund eines minimalen Schichtstressgradienten erkennbar, in 7 eine maximale Auslenkung aufgrund eines maximalen Schichtstressgradienten im Schichtstapel 40, 41. Vorzugsweise beträgt ein Ausmaß der Auslenkung gegenüber der prozesstechnisch nach Einbeziehung aller Toleranzen nicht wiederholbar realisierbaren Horizontallage ca. 1µm bis ca. 10 µm, vorzugsweise ca. 3µm bis ca. 6µm, wobei die Auslenkung aufgrund von bekannten Parametern in an sich bekannten Herstellverfahren bis zu einem gewissen Grad eingestellt werden kann. Die mittlere Auslenkung wird vorzugsweise so eingestellt, dass unter Berücksichtigung der bekannten Schwankungen der Auslenkung für Detektionseinrichtungen mit minimaler Auslenkung der Ausleger noch immer aus der Horizontallage zum Substrat gewölbt ist. Dabei können beispielsweise entsprechende Daten aus bereits realisierten Herstellprozessen herangezogen werden. Erkennbar sind drei Elektrodenschichten 50, wobei die mittlere Elektrodenschicht 50 eine Elektrodenschicht für die obere piezoelektrische Schicht 41 und für die untere piezoelektrische Schicht 40 darstellt.In 6 a minimal deflection of the cantilever due to a minimal stratification stress gradient can be seen, in 7 a maximum deflection due to a maximum Schichtstressgradienten in the layer stack 40 . 41 , Preferably, a degree of deflection relative to the process technology, after taking into account all tolerances not repeatable realizable horizontal position about 1 .mu.m to about 10 .mu.m, preferably about 3 .mu.m to about 6 .mu.m, the deflection due to known parameters in known manufacturing processes up to a certain degree can be adjusted. The average deflection is preferably adjusted such that, taking into account the known fluctuations of the deflection for detection devices with minimal deflection, the cantilever is still arched from the horizontal position to the substrate. In this case, for example, appropriate data from already implemented manufacturing processes can be used. Visible are three electrode layers 50 , wherein the middle electrode layer 50 an electrode layer for the upper piezoelectric layer 41 and for the lower piezoelectric layer 40 represents.

Man erkennt, dass der Ausleger definiert auf eine Kante K des Substrats 1 hin ausgerichtet bzw. in eine unterhalb des Auslegers angeordnete Kavität ausgerichtet ist, wobei im Betrieb der Detektionseinrichtung 200, wenn der Ausleger durch Schalldruck bewegt wird, ein Spalt zwischen der Kante K und dem Ausleger klein gehalten ist, sodass ein akustischer Leckpfad auf diese Art und Weise minimiert ist. Die Kante K ist dabei in bzw. aus der Blattebene von 6 gerichtet und orthogonal zur Auslenkungsrichtung des Auslegers ausgebildet und kann als eine an der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildete Begrenzungskante des Substrats 1 bzw. einer im Substrat 1 ausgebildeten Kavität bzw. Ausnehmung angesehen werden. Dies lässt sich dadurch begründen, dass ein lateraler Abstand des Auslegers zum Substrat 1 minimal ist und dadurch der akustische Leckpfad minimal gehalten werden kann. Auch eine Änderung des akustischen Leckpfads bei einer Bewegung des Auslegers im Betrieb des piezoelektrischen Mikrofons ist auf diese Weise vorteilhaft minimiert.It can be seen that the cantilever defined on an edge K of the substrate 1 aligned or aligned in a disposed below the boom cavity, wherein in operation of the detection device 200 When the boom is moved by sound pressure, a gap between the edge K and the boom is kept small, so that an acoustic leak path is minimized in this way. The edge K is in or out of the sheet of 6 directed and orthogonal to the deflection direction of the cantilever and may as one on the surface of the substrate 1 formed boundary edge of the substrate 1 or one in the substrate 1 trained cavity or recess are considered. This can be justified by the fact that a lateral distance of the cantilever to the substrate 1 is minimal and thereby the acoustic leak path can be kept to a minimum. A change in the acoustic leak path during a movement of the boom in the operation of the piezoelectric microphone is advantageously minimized in this way.

Ein resultierender Schichtstress der Schichten 40, 41, 50 kann durch wenigstens einen der folgenden, während eines Abscheidevorgangs herrschenden Parameter eingestellt werden: Druck, Temperatur, elektrische Spannung zwischen Abscheidequelle und Substrat. Ferner kann der resultierende Schichtstress der Schichten 40, 41, 50 durch eine Materialauswahl der Schichten 40, 41, 50 und Schichtdicken der Schichten 40, 41, 50 nach erfolgtem Abscheidevorgang eingestellt werden. Dabei wird angestrebt, dass der effektive Stressgradient entlang der Schichtdicke über alle Schichten in Richtung Substrat größer (höhere Zugspannung) wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Druckspannung in der oberen Schicht 41 höher ist als eine Zugspannung in der unteren Schicht 40. Alternativ kann in einer der Schichten 40, 41 ein höherer Stresspegel mit dem gleichen Vorzeichen implementiert werden als in der anderen der Schichten 40, 41.A resulting layer stress of the layers 40 . 41 . 50 can be adjusted by at least one of the following parameters prevailing during a deposition process: pressure, temperature, electrical voltage between the deposition source and the substrate. Furthermore, the resulting layer stress of the layers 40 . 41 . 50 through a material selection of the layers 40 . 41 . 50 and layer thicknesses of the layers 40 . 41 . 50 be set after the deposition process. The aim is to increase the effective stress gradient along the layer thickness over all layers in the direction of the substrate (higher tensile stress). This can for example be achieved by a compressive stress in the upper layer 41 is higher than a tensile stress in the lower layer 40 , Alternatively, in one of the layers 40 . 41 a higher level of stress can be implemented with the same sign than in the other of the layers 40 . 41 ,

Eine nicht in Figuren dargestellte Variante der Detektionseinrichtung 100 weist insgesamt lediglich drei Schichten auf, wobei eine piezoelektrische Schicht 40, 41 zwischen den beiden Elektrodenschichten 50 angeordnet ist.A not shown in figures variant of the detection device 100 has a total of only three layers, wherein a piezoelectric layer 40 . 41 between the two electrode layers 50 is arranged.

Idealerweise sollte innerhalb einer piezoelektrischen Schicht 40, 41 bei einer Auslenkung nur ein Vorzeichen betreffend mechanische Belastung auftreten (d.h. entweder nur Zug oder nur Druck). Zum Verschieben der neutralen Faser aus der piezoelektrischen Schicht 40, 41 kann entweder die Elektrodenschicht 50 oder eine nicht-piezoelektrische Schicht verwendet werden (nicht dargestellt).Ideally, within a piezoelectric layer 40 . 41 in case of a deflection, only one sign concerning mechanical load occurs (ie either only tension or only pressure). For shifting the neutral fiber from the piezoelectric layer 40 . 41 can either be the electrode layer 50 or a non-piezoelectric layer may be used (not shown).

8 zeigt stark vereinfacht einen Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung 100. 8th shows very simplified a manufacturing process of the detection device according to the invention 100 ,

In 8a wird ein Substrat 1 (vorzugweise Silizium) bereitgestellt, auf das nachfolgend eine Oxidschicht 2 abgeschieden wird, beispielsweise in Form von SiO₂.In 8a becomes a substrate 1 (Preferably, silicon) provided on the following an oxide layer 2 is deposited, for example in the form of SiO ₂ .

In 8b wird ein Stapel von zwei Schichten 40, 41 aufeinander auf die Oxidschicht 2 abgeschieden. Vorzugsweise weisen beide Schichten 40, 41 piezoelektrische Eigenschaften auf. Alternativ ist es aber auch möglich, dass lediglich eine der beiden Schichten 40, 41 piezoelektrisch ist, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, dass eine der Schichten 40, 41 geeignete mechanische Eigenschaften aufweist. Vor und nach den Schichten 40, 41 wird jeweils eine elektrische leitfähige Schicht als Elektrode abgeschieden (beispielsweise ein Metall wie Pt oder Mo), um das elektrische Signal der piezoelektrischen Schicht auszulesen (nicht dargestellt).In 8b becomes a stack of two layers 40 . 41 on top of each other on the oxide layer 2 deposited. Preferably, both layers 40 . 41 piezoelectric properties. Alternatively, it is also possible that only one of the two layers 40 . 41 is piezoelectric, for example, it may be provided that one of the layers 40 . 41 having suitable mechanical properties. Before and after the shifts 40 . 41 In each case, an electrically conductive layer is deposited as an electrode (for example, a metal such as Pt or Mo) to read the electrical signal of the piezoelectric layer (not shown).

In 8c wird an einer Unterseite der unteren Oxidschicht 2 mittels eines Ätzschritts eine Öffnung in die untere Oxidschicht 2 eingebracht. An Stelle der Oxidschicht sind auch andere Maskierungsschichten, wie beispielsweise Polymere oder Metalle denkbar.In 8c is at a bottom of the lower oxide layer 2 an opening in the lower oxide layer by means of an etching step 2 brought in. Instead of the oxide layer, other masking layers, such as, for example, polymers or metals, are also conceivable.

In 8d wird mittels eines rückseitigen Ätzschritts eine Kavität in das Substrat 1 eingebracht, die bis zur Oxidschicht 2 unterhalb des Schichtstapels mit den Schichten 40, 41 reicht.In 8d is a cavity in the substrate by means of a back-etching step 1 introduced, which up to the oxide layer 2 below the layer stack with the layers 40 . 41 enough.

Schließlich wird in einem letzten Schritt gemäß 8e die Oxidschicht 2 bis auf einen Anteil, der als Sockel für den Ausleger dient, entfernt, sodass im Ergebnis der Schichtstapel 40, 41 gegenüber der Kante K des Substrats 1 definiert ausgerichtet ist, wobei eine resultierende Ausrichtung des Auslegers in 8e strichliert nach unten gekrümmt dargestellt ist. Die gezeigte horizontale Ausrichtung des Auslegers wäre ein Idealfall, der allerdings prozesstechnisch nicht wiederholbar realisierbar ist.Finally, in a final step according to 8e the oxide layer 2 except for a portion that serves as a pedestal for the boom, so as a result, the layer stack 40 . 41 opposite the edge K of the substrate 1 is defined, with a resulting orientation of the boom in 8e dashed lines is shown curved down. The illustrated horizontal alignment of the cantilever would be an ideal case, which however can not be reproduced in terms of process technology.

9 zeigt schematisch eine weitere Variante eines Herstellungsprozesses der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100. In 9a erkennt man eine Strukturierung einer Ätzmaske zum Vorderseitenätzen, beispielsweise mittels einer Strukturierung der oberen Oxidschicht 2 mittels eines Fotolacks. 9 schematically shows a further variant of a manufacturing process of the proposed detection device 100 , In 9a can be seen structuring an etching mask for Vorderseitenätzen, for example by means of a structuring of the upper oxide layer 2 by means of a photoresist.

9b zeigt ein teilweises Ätzen durch das Loch von der Vorderseite, vorzugsweise mittels reaktivem Ionentiefätzen (engl. deep reactive ion etching, DRIE) oder reaktivem Ionenätzen (engl. reactive ion etching, RIE). Aufgrund der mit diesem Frontseitenätzen realisierbaren geringen Toleranzen, die in der Größenordnung von < 1µm liegen, kann eine sehr genaue Positionierung der Kante K des Substrats 1 in Relation zum Ausleger generiert werden. 9b shows partial etching through the hole from the front, preferably by reactive ion etching (DRIE) or reactive ion etching (RIE). Due to the small tolerances that can be realized with this front side etching, which are on the order of <1 μm, a very accurate positioning of the edge K of the substrate can be achieved 1 generated in relation to the boom.

9c zeigt ein Verfüllen des daraus generierten Grabens mit einem Opfermaterial (z.B. spin-on-Glas, Polymer, usw.) und gegebenenfalls nachfolgender Planarisierung. Der Planarisierungsschritt entfällt vorteilhaft, wenn flüssiges Material in den Graben verfüllt wird. 9c shows filling the resulting trench with a sacrificial material (eg, spin on glass, polymer, etc.) and optionally subsequent planarization. The planarization step is advantageously eliminated when liquid material is filled into the trench.

In 9d ist eine Abscheidung und Strukturierung eines piezoelektrischen Schichtstapels mit den Schichten 40, 41 gezeigt. Ebenso wie mit dem anhand von 8 erläuterten Prozess werden auch hier Elektrodenschichten mit abgeschieden, die nicht dargestellt sind.In 9d is a deposition and patterning of a piezoelectric layer stack with the layers 40 . 41 shown. As well as with the basis of 8th explained process are also deposited here with electrode layers, which are not shown.

9e zeigt ein Strukturieren einer Ätzmaske der unteren Oxidschicht 2 von der Rückseite. 9e shows a patterning of an etching mask of the lower oxide layer 2 from the back.

9f zeigt ein Ätzen des Substrats 1 von der Rückseite vorzugweise mittels reaktivem Ionentiefätzen oder nasschemischem anisotropem Ätzen (z.B. mittels KOH). Der sich in diesem Ätzschritt ausbildende Winkel hat keine Relevanz für die Positionierung der oberseitigen Kante K des Substrats 1, da diese bereits mit dem vorhergehenden frontseitigen Ätzschritt definiert wurde. 9f shows an etching of the substrate 1 from the backside preferably by reactive ion etching or wet chemical anisotropic etching (eg by means of KOH). The angle formed in this etching step has no relevance for the positioning of the top edge K of the substrate 1 since this has already been defined with the preceding front etching step.

In 9g wird der Ausleger mit den Schichten 40, 41 durch ein Gasphasenätzen oder ein Nassätzen der Opferschicht freigestellt. Im Ergebnis ist auch hier wieder erkennbar, dass die Kante K des Substrats 1 zur freistehenden Vorderseite des Schichtstapels 40, 41 definiert ausgebildet ist, wobei eine resultierende Ausrichtung bzw. Krümmung des Schichtstapels strichliert gezeichnet ist. Die horizontale Lage des Auslegers ist ein Idealfall, der prozesstechnisch nicht wiederholbar umsetzbar ist.In 9g becomes the boom with the layers 40 . 41 released by gas phase etching or wet etching of the sacrificial layer. As a result, it can be seen again that the edge K of the substrate 1 to the freestanding front of the layer stack 40 . 41 is formed defined, with a resulting orientation or curvature of the layer stack is drawn by dashed lines. The horizontal position of the jib is an ideal case that can not be reproduced in terms of process technology.

Durch ein geeignetes Design von relativen Größen und Tiefen der zwei Ätzschritte, die das Durchgangsloch bilden und der verbleibenden Kanten unterhalb des Auslegers können Funktionen wie ein Anschlag für den Ausleger (engl. over-travel-stop) in diesem Prozessfluss gewährleistet werden. Dieser Anschlag kann einen Bruch des Auslegers bei zu hohen Schalldrücken oder Erschütterungen und den daraus resultierenden Auslenkungen verhindern.By properly designing relative sizes and depths of the two etch steps that form the via and the remaining edges below the cantilever, functions such as over-travel-stop can be ensured in this process flow. This stop can prevent breakage of the boom if the sound pressure or vibrations are too high and the resulting deflections.

10 zeigt schematisch einen alternativen Prozessfluss zum Herstellen einer Ausführungsform der vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100. 10 schematically shows an alternative process flow for producing an embodiment of the proposed detection device 100 ,

10a zeigt ein Strukturieren einer Ätzmaske zum Vorderseitenätzen, zum Beispiel mittels eines Strukturierens der oberen Oxidschicht 2 mittels eines Fotolacks. 10a FIG. 12 shows patterning of an etch mask for front etching, for example by patterning the top oxide layer. FIG 2 by means of a photoresist.

10b zeigt ein Ätzen von Gräben (engl. trench) von der Vorderseite, vorzugsweise mittels reaktivem Ionentiefätzen oder mittels reaktivem Ionenätzen. 10b Figure 3 shows trench etching from the front, preferably by reactive ion etching or by reactive ion etching.

10c zeigt im Prinzip ein Verfüllen der Gräben mit Ätzstopmaterial (z.B. SiO₂, SiN) und falls erforderlich, ein nachfolgendes Planarisieren. 10c shows in principle a filling of the trenches with Ätzstopmaterial (eg SiO ₂ , SiN) and, if necessary, a subsequent planarization.

10d zeigt das Ergebnis eines Abscheidungs- und Strukturierungsprozesses eines vorzugsweise piezoelektrischen Schichtstapels 40, 41. Die zusätzlich benötigten Elektrodenschichten sind nicht dargestellt. 10d shows the result of a deposition and structuring process of a preferably piezoelectric layer stack 40 . 41 , The additionally required electrode layers are not shown.

10e zeigt eine strukturierte Ätzmaske zum Rückseitenätzen, vorzugsweise zum Strukturieren der unteren Oxidschicht 2 mittels eines Fotolacks. 10e shows a patterned etch mask for backside etching, preferably for patterning the bottom oxide layer 2 by means of a photoresist.

10f zeigt das Ergebnis eines teilweisen Ätzens von Löchern in die untere Oxidschicht 2 mit einem anisotropen Ätzverfahren, beispielsweise in Form von reaktivem Ionentiefätzen. 10f shows the result of a partial etching of holes in the lower oxide layer 2 with an anisotropic etching process, for example in the form of reactive ion etching.

10g zeigt das Ergebnis eines nachfolgenden isotropen Ätzschritts, um verbleibendes Substratmaterial unter dem Ausleger zu entfernen, wobei der Ätzschritt auf der als Ätzstopp- bzw. Opferschicht fungierenden Oxidschicht 2 stoppt. 10g Figure 12 shows the result of a subsequent isotropic etching step to remove any remaining substrate material under the cantilever, the etching step being on the oxide layer functioning as an etch stop layer 2 stops.

10h zeigt die fertiggestellte Detektionseinrichtung 100, in der der Ausleger mit den Schichten 40, 41 durch ein Gasphasen- oder Nassätzen der Opferoxidschicht freigestellt ist. 10h shows the completed detection device 100 in which the boom with the layers 40 . 41 is released by a gas phase or wet etching of the sacrificial oxide layer.

11 zeigt schematisch ein piezoelektrisches Mikrofon 200 mit einer vorgeschlagenen Detektionseinrichtung 100. 11 schematically shows a piezoelectric microphone 200 with a proposed detection device 100 ,

12 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung 100. 12 shows a basic sequence of an embodiment of the inventive method for producing a detection device according to the invention 100 ,

In einem Schritt 300 wird ein Substrat 1 bereitgestellt. In einem Schritt 310 wird ein Ausleger aus wenigstens drei aufeinander angeordneten, auf dem Substrat 1 aufgebrachten Schichten 40, 50 ausgebildet, wobei wenigstens eine der Schichten 40, 50 eine piezoelektrische Schicht 40 ist, wobei auf beiden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht 40 jeweils eine Elektrodenschicht 50 angeordnet wird, wobei der Ausleger derart ausgebildet wird, dass ein freies Ende des Auslegers aufgrund von Schichtstress der Schichten 40, 50 in Relation zu einer Horizontallage des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.In one step 300 becomes a substrate 1 provided. In one step 310 a boom of at least three superimposed on the substrate 1 applied layers 40 . 50 formed, wherein at least one of the layers 40 . 50 a piezoelectric layer 40 is, wherein on both surfaces of the at least one piezoelectric layer 40 one electrode layer each 50 is arranged, wherein the cantilever is formed such that a free end of the cantilever due to layer stress of the layers 40 . 50 defined in relation to a horizontal position of the cantilever is aligned in a cavity formed below the cantilever.

Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung eine Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon und ein Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung für ein piezoelektrisches Mikrofon vorgeschlagen, mit dem vorteilhaft ein akustischer Leckpfad beim piezoektrischen Mikrofon minimiert werden kann.In summary, the present invention proposes a detection device for a piezoelectric microphone and a method for producing a detection device for a piezoelectric microphone, with which advantageously an acoustic leak path in the piezoelectric microphone can be minimized.

Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the invention has been described above by means of concrete examples of application, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments, without departing from the gist of the invention.

Claims

Detektionseinrichtung (100) für ein piezoelektrisches Mikrofon (200), aufweisend: – einen Ausleger mit wenigstens drei aufeinander angeordneten Schichten (40, 50), wobei wenigstens eine der Schichten (40) eine piezoelektrische Schicht ist; – wobei auf beiden Oberfläche der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht (40) jeweils eine Elektrodenschicht (50) angeordnet ist; – wobei ein Schichtstress der Schichten (40, 50) derart ist, dass ein freies Ende des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.Detection device ( 100 ) for a piezoelectric microphone ( 200 ), comprising: a cantilever having at least three layers ( 40 . 50 ), wherein at least one of the layers ( 40 ) is a piezoelectric layer; - Wherein on both surfaces of the at least one piezoelectric layer ( 40 ) each have an electrode layer ( 50 ) is arranged; - wherein a layer stress of the layers ( 40 . 50 ) is such that a free end of the cantilever is defined aligned in a cavity formed below the cantilever.

Detektionseinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen drei Elektrodenschichten (50) zwei piezoelektrische Schichten (40, 41) angeordnet sind.Detection device ( 100 ) according to claim 1, characterized in that between three electrode layers ( 50 ) two piezoelectric layers ( 40 . 41 ) are arranged.

Detektionseinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodenschichten (50) eine nicht-piezoelektrische Schicht mit definierten mechanischen Eigenschaften ist.Detection device ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that one of the electrode layers ( 50 ) is a non-piezoelectric layer with defined mechanical properties.

Detektionseinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger in Relation zu einer Horizontallage um ca. 1µm bis ca. 10µm, vorzugsweise um ca. 3µm bis ca. 6µm nach unten geneigt ist. Detection device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the boom is inclined in relation to a horizontal position by about 1μm to about 10μm, preferably by about 3μm to about 6μm down.

Piezoelektrisches Mikrofon (200) aufweisend eine Detektionseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.Piezoelectric microphone ( 200 ) comprising a detection device ( 100 ) according to one of claims 1 to 4.

Verfahren zum Herstellen einer Detektionseinrichtung (100) für ein piezoelektrisches Mikrophon (200), aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines Substrats (1); – Ausbilden eines Auslegers aus wenigstens drei aufeinander angeordneten, auf dem Substrat (1) aufgebrachten Schichten (40, 50), wobei wenigstens eine der Schichten (40, 50) eine piezoelektrische Schicht (40) ist, wobei auf beiden Oberflächen der wenigstens einen piezoelektrischen Schicht (40) jeweils eine Elektrodenschicht (50) angeordnet wird, wobei der Ausleger derart ausgebildet wird, dass ein freies Ende des Auslegers aufgrund von Schichtstress der Schichten (40, 50) in Relation zu einer Horizontallage des Auslegers definiert in eine unterhalb des Auslegers ausgebildete Kavität ausgerichtet ist.Method for producing a detection device ( 100 ) for a piezoelectric microphone ( 200 ), comprising the steps of: - providing a substrate ( 1 ); Forming a cantilever of at least three superimposed on the substrate ( 1 ) applied layers ( 40 . 50 ), wherein at least one of the layers ( 40 . 50 ) a piezoelectric layer ( 40 ), wherein on both surfaces of the at least one piezoelectric layer ( 40 ) each have an electrode layer ( 50 ), wherein the cantilever is formed such that a free end of the cantilever due to layer stress of the layers ( 40 . 50 ) defined in relation to a horizontal position of the cantilever is aligned in a cavity formed below the cantilever.

Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Ausleger in Relation zu einer Kante (K) des Substrats (1) definiert ausgerichtet wird.The method of claim 6, wherein the cantilever is in relation to an edge (K) of the substrate ( 1 ) is aligned.

Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Substrat (1) zur Ausbildung der Kante (K) von oberhalb des Substrats (1) kommend geätzt wird.Method according to claim 6 or 7, wherein the substrate ( 1 ) for forming the edge (K) from above the substrate ( 1 ) is etched coming.

Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Loch mit flüssigem Füllmaterial verfüllt wird.The method of claim 8, wherein a hole is filled with liquid filling material.

Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Schichtstress der Schichten (40, 41) durch wenigstens einen der folgenden Parameter eingestellt wird: Druck während eines Abscheidevorgangs der Schichten (40, 41), Temperatur während des Abscheidevorgangs der Schichten (40, 41), elektrische Spannung zwischen Abscheidequelle und Substrat während des Abscheidevorgangs der Schichten (40, 41), Materialauswahl der Schichten (40, 41), Schichtdicken der Schichten (40, 41) nach erfolgtem Abscheidevorgang (40, 41).Method according to one of claims 6 to 9, wherein the layer stress of the layers ( 40 . 41 ) is adjusted by at least one of the following parameters: pressure during a deposition process of the layers ( 40 . 41 ), Temperature during the deposition process of the layers ( 40 . 41 ), electrical voltage between deposition source and substrate during the deposition process of the layers ( 40 . 41 ), Material selection of the layers ( 40 . 41 ), Layer thicknesses of the layers ( 40 . 41 ) after the deposition ( 40 . 41 ).

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Öffnungen im Substrat (1) mittels reaktivem Ionentiefätzen oder mittels nasschemischem Ätzen erzeugt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein openings in the substrate ( 1 ) are produced by reactive ion etching or by wet chemical etching.

Verwendung einer Detektionseinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem piezoelektrischen Mikrofon (200).Use of a detection device ( 100 ) according to one of claims 1 to 4 in a piezoelectric microphone ( 200 ).