DE102017115923A1

DE102017115923A1 - Mikroelektromechanischer Transducer

Info

Publication number: DE102017115923A1
Application number: DE102017115923.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Bretthauer; Alfons Dehe; Alfred Sigl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-01-17
Also published as: US20190016588A1; US10626007B2; US10926999B2; US20190367355A1

Abstract

Ein mikroelektromechanischer Transducer kann eine verlagerbare Membran aufweisen, welche einen gewellten Abschnitt mit wenigstens einem Wellental und wenigstens einem Wellenberg aufweisen kann. An wenigstens einem Wellental und an wenigstens einem Wellenberg kann jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle bereitgestellt sein. Jede piezoelektrische Einheitszelle kann eine piezoelektrische Schicht und wenigstens eine mit der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt stehende Elektrode aufweisen. Die Membran kann als flächiges Bauteil ausgebildet sein, welches in einer ersten und einer zweiten Raumrichtung, die orthogonal zueinander sind, eine wesentlich größere Erstreckung als in einer dritten Raumrichtung aufweist, welche orthogonal zu der ersten und der zweiten Raumrichtung ist und eine axiale Richtung der Membran definiert. Der wenigstens eine Wellenberg und das wenigstens eine Wellental können in einer radialen Richtung der Membran aufeinanderfolgend bereitgestellt sein oder der wenigstens eine Wellenberg und das wenigstens eine Wellental können in einer Umfangsrichtung der Membran aufeinanderfolgend bereitgestellt sein.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen allgemein einen mikroelektromechanischen Transducer sowie ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Transducers.
Mikroelektromechanische Transducer spielen in der modernen Elektronik sowohl als Sensoren als auch als Aktoren eine zentrale Rolle und finden eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen, etwa als Mikrofone, Lautsprecher, Drucksensoren oder Beschleunigungssensoren.
Mikroelektromechanische Transducer können eine Membran aufweisen, welche in Abhängigkeit davon, ob die Transducer als Sensoren oder Aktoren ausgebildet sind, passiv oder aktiv verlagerbar ist. Im Falle eines als Sensor ausgebildeten mikroelektromechanischen Transducers kann die Membran passiv verlagerbar sein, beispielsweise durch zu detektierenden Schall oder eine zu detektierende Beschleunigung. Aus einer Verlagerung der Membran können Charakteristiken der zu detektierenden Größe, wie etwa eine Schallfrequenz, eine Schallamplitude oder ein zeitliches Beschleunigungsprofil, ermittelt werden. Im Falle eines als Aktor ausgebildeten mikroelektromechanischen Transducers kann die Membran aktiv verlagert werden, beispielsweise um Schall in einem Lautsprecher zu erzeugen.
Derartige Membranen mikroelektromechanischer Transducer können wenigstens abschnittsweise aus piezoelektrischem Material gebildet sein, in welchem im Falle einer passiven Verlagerung der Membran eine elektrische Spannung induziert wird, die durch einen geeigneten Ausleseschaltkreis ausgelesen werden kann, um Charakteristiken einer zu detektierenden Größe zu ermitteln. Alternativ kann im Falle eines Aktors eine elektrische Spannung an die Membran angelegt werden, um eine gezielte Verformung der Membran herbeizuführen, etwa um Schall zu erzeugen.
Bei piezoelektrischen Membranen, welche in herkömmlichen mikroelektromechanischen Transducern eingesetzt werden, besteht im Allgemeinen das Problem, dass entweder durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Membran keine definierte Verformung herbeigeführt werden kann oder dass aufgrund von internen elektrischen Kurzschlüssen in einer piezoelektrischen Membran die mit derartigen mikroelektromechanischen Sensoren erzielbaren Sensitivitäten sehr gering sind. Dies wird nachfolgend durch Bezugnahme auf 1 erläutert werden.
1 zeigt einen Abschnitt einer herkömmlichen in einem mikroelektromechanischen Transducer eingesetzten piezoelektrischen Membran 10, welche an einem Ende 12 befestigt und, wie durch die gekrümmte Gestalt angedeutet, durch eine zu detektierende physikalische Größe, beispielsweise durch Schall, verlagerbar ist. Die Membran 10 weist eine piezoelektrische Schicht 14 sowie auf gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Schicht 14 Elektroden 16, 18 zum Abgreifen einer in der piezoelektrischen Schicht 14 induzierten elektrischen Spannung auf. Gestrichelt dargestellt ist in 1 die neutrale Faser NF der Membran 10. Die neutrale Faser NF ist diejenige Ebene der Membran 10, deren Länge sich bei einer Verlagerung der Membran 10 nicht ändert. In dieser Ebene führt eine Verlagerung der Membran 10 somit zu keiner Zug- oder Druckbeanspruchung.
Wie in 1 angedeutet, unterteilt die neutrale Faser NF die Membran 10 in zwei Bereiche, einen in 1 oberen Bereich A, welcher, wie durch die Pfeile in diesem Bereich angedeutet, bei der in 1 gezeigten Verlagerung der Membran 10 einer Zugbelastung ausgesetzt ist, und einen in 1 unteren Bereich B, welcher, wie durch die Pfeile in diesem Bereich angedeutet, bei der in 1 gezeigten Verlagerung der Membran 10 einer Druckbelastung ausgesetzt ist. Aufgrund der unterschiedlichen Belastung in den Bereichen A und B haben die elektrischen Felder EA und EB, die in diesen Bereichen durch eine Auslenkung der Membran 10 induziert werden, entgegengesetzte Vorzeichen, so dass die über die Elektroden 16, 18 abgreifbare elektrische Nettospannung sehr gering ist, wodurch die erzielbare Sensitivität beträchtlich begrenzt wird. Ebenso kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 16, 18 keine definierte Verformung der Membran 10 herbeigeführt werden.
Zudem besteht bei der Herstellung mikroelektromechanischer Transducer im Allgemeinen grundsätzlich eine wesentliche Herausforderung darin, deren Membranen mit wohldefinierten Gestalten herzustellen, um ein reproduzierbares Verhalten gewährleisten zu können. Dies trifft auch auf mikroelektromechanische Transducer mit piezoelektrischen Membranen zu. Ein wesentliches Problem resultiert hierbei aus mechanischen Spannungen, denen derartige Membranen unterliegen und ein reproduzierbares Verhalten beeinträchtigen können. Diese mechanischen Spannungen können intrinsische Ursachen haben und auf thermische oder mechanische Belastungen während des Herstellungsprozesses zurückzuführen sein. Alternativ oder zusätzlich können derartige mechanische Spannungen auf voneinander verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Komponenten eines mikroelektromechanischen Transducers zurückzuführen sein, welche auf die Membran übertragen werden können.
Aufgabe ist somit die Bereitstellung eines mikroelektromechanischen Transducers mit wohldefinierten elektrischen und mechanischen Eigenschaften.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein mikroelektromechanischer Transducer aufweisen: eine verlagerbare Membran, welche einen gewellten Abschnitt mit wenigstens einem Wellental und wenigstens einem Wellenberg aufweisen kann. In wenigstens einem Wellental und an wenigstens einem Wellenberg kann jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle bereitgestellt sein, welche eine piezoelektrische Schicht und wenigstens eine mit der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt stehende Elektrode aufweisen kann. Die Membran kann als flächiges Bauteil ausgebildet sein, welches in einer ersten und einer zweiten Raumrichtung, die orthogonal zueinander sind, eine wesentlich größere Erstreckung als in einer dritten Raumrichtung aufweist, welche orthogonal zu der ersten und der zweiten Raumrichtung ist und eine axiale Richtung der Membran definiert. Der wenigstens eine Wellenberg und das wenigstens eine Wellental können in einer radialen Richtung der Membran aufeinanderfolgend bereitgestellt sein oder können in einer Umfangsrichtung der Membran aufeinanderfolgend bereitgestellt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Transducers aufweisen: Bilden einer Negativform für die Membran, welche eine zu einer Seite der Membran komplementäre Seite mit wenigstens einem Wellenberg und wenigstens einem Wellental aufweist, Bilden der Membran auf der Seite der Negativform, welche wenigstens einen Wellenberg und wenigstens ein Wellental aufweist, und Bilden einer piezoelektrischen Einheitszelle an wenigstens einem Wellenberg der Membran und einer piezoelektrischen Einheitszelle in wenigstens einem Wellental der Membran.
Verschiedene Ausführungsformen werden nachfolgend durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Dabei ist bzw. sind:

1 eine Ansicht eines Abschnitts einer herkömmlichen piezoelektrischen Membran,
2 eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Membran eines mikroelektromechanischen Transducers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform,
3 bis 7 Schnittansichten eines Abschnitts von piezoelektrischen Membranen mikroelektromechanischer Transducer gemäß verschiedenen Ausführungsformen,
8 eine Ansicht einer Vorderseite einer piezoelektrischen Membran eines beispielhaften mikroelektromechanischen Transducers,
9 eine Ansicht einer Rückseite der in 8 gezeigten piezoelektrischen Membran,
10 eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Membran eines mikroelektromechanischen Mikrofons gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform,
11 eine schematische Darstellung eines Mikrofons, welches einen mikroelektromechanischen Transducer aufweist,
12 bis 17 schematische Darstellungen, welche ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen eines beispielhaften mikroelektromechanischen Transducers veranschaulichen, und
18 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen eines beispielhaften mikroelektromechanischen Transducers.

Der Begriff „beispielhaft“ wird hier verwendet, um „als Beispiel, als Exemplar oder zur Veranschaulichung dienend“ zu bedeuten. Jede hier als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Ausgestaltung soll nicht unbedingt als bevorzugt oder von Vorteil anderen Ausführungsformen oder Ausgestaltungen gegenüber verstanden werden.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf dieselben Teile in den unterschiedlichen Ansichten. Die Zeichnungen dienen vordergründig der Veranschaulichung der wesentlichen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung und sind daher nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
In 2 ist ein beispielhafter mikroelektromechanischer Transducer 100 dargestellt. Dieser kann einen Halter 102 und eine an dem Halter 102 befestigte, verlagerbare Membran 104 aufweisen. Wenigstens ein Teil der Membran 104 kann aus piezoelektrischem Material gebildet sein. Durch eine Verlagerung der Membran 104 kann in dem piezoelektrischen Material eine elektrische Spannung induziert werden, welche durch einen geeigneten Ausleseschaltkreis messbar ist. Aus der gemessenen elektrischen Spannung können Charakteristiken einer zu detektierenden Größe, wie etwa von zu detektierendem Schall oder einer zu detektierenden Beschleunigung, ermittelt werden. Alternativ kann an die Membran 104 eine elektrische Spannung angelegt werden, um die Membran 104 zu verlagern, beispielsweise um Schall zu erzeugen.
Ist der Transducer 100 als Beschleunigungssensor oder als Teil eines Beschleunigungssensors ausgebildet, kann an der Membran 104, beispielsweise an einem mittleren Abschnitt der Membran 104, eine träge Masse 103 bereitgestellt sein, um eine auf die Membran 104 durch eine zu detektierende Beschleunigung ausgeübte Kraft zu erhöhen. Die träge Masse 103 kann gesondert von der Membran 104 ausgebildet sein. Sie kann beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, etwa aus Silizium, gebildet sein.
Wie in 2 angedeutet, kann die Membran 104 an ihrem Randbereich 104R umlaufend an dem Halter 102 befestigt sein. Die Membran 104 kann als geschlossenes Bauteil ausgebildet sein, so dass zwischen zwei beliebigen Punkten des Randbereichs 104R der Membran 104 eine unterbrechungsfreie Verbindung entlang der Membran 104 existiert. Die Membran 104 kann somit frei von Fluiddurchgangsöffnungen ausgebildet sein, welche sonst als Rauschquelle wirken können, wenn Fluid, wie etwa ein Gas, durch eine derartige Fluiddurchgangsöffnung strömt. Das Fehlen einer Fluiddurchgangsöffnung in der Membran 104 kann ein wesentlicher Vorteil gegenüber einer piezoelektrischen Membran, welche eine Mehrzahl von Freischwingern (Cantilevern) aufweist, die unabhängig voneinander auslenkbar sind. Eine geschlossene Membran 104 ist zudem besonders robust, da etwaige Freischwinger besonders empfindlich auf extreme mechanische Belastungen reagieren, was etwa im Falle eines Stoßes zu einer Beschädigung einer, Freischwinger aufweisenden Membran führen kann. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass eine hier beschriebene Membran 104 eine oder mehrere Öffnungen aufweisen kann, um einen Widerstand zu minimieren, welcher durch auf einer Seite der Membran 104 angesammeltes Gas, etwa Luft, verursacht werden kann. Hierdurch kann eine hohe Nachgiebigkeit der Membran 104 sichergestellt werden.
Die in 2 gezeigte Membran 104 kann als ein flächiges Bauteil ausgebildet sein. Mit „flächig“ ist hier im Wesentlichen ausgesagt, dass die Membran 104 entlang einer ersten Raumrichtung X und einer zu der ersten Raumrichtung X orthogonalen zweiten Raumrichtung Y eine wesentlich größere Erstreckung als entlang einer dritten Raumrichtung aufweist, die zu der ersten Raumrichtung X und zu der zweiten Raumrichtung Y orthogonal ist und eine axiale Richtung A der Membran 104 definiert.
Die Membran 104 kann einen gewellten Abschnitt 106 mit wenigstens einem Wellenberg 108 und wenigstens einem Wellental 110 oder mit einer Mehrzahl von Wellenbergen 108 und einer Mehrzahl von Wellentälern 110 aufweisen. Die Wellenberge 108 und die Wellentäler 110 sind in einer radialen Richtung R der Membran 104 aufeinanderfolgend alternierend angeordnet. Die Wellenberge 108 oder/und Wellentäler 110 können eine kreisförmige oder kreissegmentförmige Gestalt aufweisen und konzentrisch angeordnet sein, etwa um einen Mittelpunkt M der Membran 104. Eine kreissegmentförmige Ausgestaltung der Wellenberge 108 und Wellentäler 110 (nicht gezeigt) gestattet beispielsweise eine radiale Verlegung von Zuleitungen auf der Membran 104.
Durch eine kreisförmige oder kreissegmentförmige Ausbildung der Wellenberge 108 oder/und Wellentäler 110 ist die Membran 104 primär dazu eingerichtet, eine Auslenkung in Umfangsrichtung C zu detektieren.
Durch die Bereitstellung des gewellten Abschnitts 106 können die eingangs diskutierten mechanischen Spannungen kompensiert werden, da der gewellte Abschnitt 106 als elastisches Element fungieren kann, welches die eingangs diskutierten mechanischen Spannungen durch Streckung oder Stauchung aufnehmen kann, wodurch eine durch die mechanischen Spannungen bedingte Verformung der Membran 104 begrenzt werden kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Membran 104 eine wohldefinierte Gestalt aufweist und somit auf wohldefinierte Weise ausgelenkt wird, wodurch ein reproduzierbares Verhalten erzielt werden kann.
Darüber hinaus kann der gewellte Abschnitt 106 der Membran 104 dazu genutzt werden, die eingangs diskutierte Kompensation von induzierten elektrischen Feldern zu verringern oder zu eliminieren. Dies wird nachfolgend durch Bezugnahme auf 3 erläutert, welche einen Schnitt durch die Membran 104 entlang der in 2 gezeigten Linie III-III zeigt.
Wie in 3 gezeigt, kann an einer Mehrzahl von Wellenbergen 108 oder/und in einer Mehrzahl von Wellentälern 110 oder sogar an jedem Wellenberg 108 oder/und in jedem Wellental 110 jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle 112 bereitgestellt sein, welche eine piezoelektrische Schicht 114 und wenigstens eine mit der piezoelektrischen Schicht 114 in elektrischem Kontakt stehende Elektrode 116 aufweist. In dem gewellten Abschnitt 106 befindet sich die neutrale Faser NF der Membran 104 in der axialen Richtung A zwischen den Wellenbergen 108 und den Wellentälern 110. Hierdurch wird die Membran 104 in axialer Richtung A durch die neutrale Faser NF in zwei Bereiche unterteilt, welche im Falle einer Auslenkung der Membran 104 entweder einer Zugbelastung oder einer Druckbelastung ausgesetzt sind. So können beispielsweise im Falle einer Auslenkung der Membran 104 die Wellenberge 108 ausschließlich einer Zugbelastung ausgesetzt sein, während die Wellentäler 110 ausschließlich einer Druckbelastung ausgesetzt sein können, und umgekehrt. Dies hat zur Folge, dass in einem Wellenberg 108 bzw. einem Wellental 110 ein elektrisches Feld mit einem einheitlichen Vorzeichen induziert wird, so dass es im Gegensatz zu den eingangs diskutierten herkömmlichen piezoelektrischen Membranen zu keiner Kompensation des elektrischen Feldes innerhalb einer piezoelektrischen Schicht 114 kommt, was die abgreifbare elektrische Nettospannung begrenzen würde. Hierdurch kann letztlich im Falle einer vorgegebenen Auslenkung der Membran 104 eine im Vergleich zu herkömmlichen piezoelektrischen Transducern höhere elektrische Spannung U abgegriffen werden, was eine im Vergleich zu herkömmlichen mikroelektromechanischen Transducern höhere Sensitivität ermöglicht. Darüber hinaus kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die jeweiligen Elektroden 116 eine definierte Auslenkung der Membran 104 erzielt werden.
Die in 3 gezeigten piezoelektrischen Einheitszellen 112 können lediglich eine einzige Elektrode 116 aufweisen, welche auf der gleichen Seite der jeweiligen piezoelektrischen Schichten 114 bereitgestellt sein können. Diese Ausgestaltung kann die Herstellung des mikroelektromechanischen Transducers 100 besonders einfach gestalten, da die Elektroden 116 gleichzeitig aufgedampft oder/und strukturiert werden können.
Als Material für die Elektroden 116 kommt grundsätzlich jedes elektrisch leitfähige Material in Frage, beispielsweise ein Metall, wie etwa Aluminium. Die piezoelektrischen Schichten 114 der jeweiligen piezoelektrischen Einheitszellen 112 können beispielsweise aus Aluminiumnitrid (AIN), Zinkoxid (ZnO) oder Blei-Zirkonat-Titanat (ZnO) hergestellt sein.
Wie in 3 angedeutet, können die Elektroden 116 der an den Wellenbergen 108 bereitgestellten piezoelektrischen Einheitszellen 112 durch eine Leitung 118 elektrisch parallel miteinander geschaltet sein, während die Elektroden 116 der in den Wellentälern 110 bereitgestellten piezoelektrischen Einheitszellen 112 durch eine Leitung 120 miteinander elektrisch parallel geschaltet sein können. Hierdurch können die in den jeweiligen piezoelektrischen Einheitszellen 112 an den Wellenbergen 108 bzw. in den Wellentälern 110 induzierten elektrischen Potenziale über die jeweiligen Elektrode 116 abgegriffen und anschließend aufsummiert werden, wodurch eine hohe elektrische Nettospannung U abgreifbar ist.
Die piezoelektrischen Schichten 114 der jeweiligen piezoelektrischen Einheitszellen 112 können einstückig miteinander ausgebildet sein. Wie in den 2 und 3 gezeigt, können die piezoelektrischen Schichten 114 zweier benachbarter piezoelektrischer Einheitszellen 112 durch Verbindungsabschnitte 122, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung A erstrecken, einstückig miteinander verbunden sein. Durch die einstückige Ausbildung der piezoelektrischen Schichten 114 kann die Membran 104 insgesamt auf einfache Weise hergestellt werden, da mit der Herstellung des gewellten Abschnitts 106 gleichzeitig auch die piezoelektrischen Schichten 114 der piezoelektrischen Einheitszellen 112 hergestellt werden können.
Nachfolgend wird durch Bezugnahme auf 4 eine weitere beispielhafte Ausführungsform beschrieben werden. Dabei werde gleiche Bauteile bzw. Bauteilabschnitte wie in 3 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 3 versehen werden, allerdings im Vergleich zu 3 erhöht um die Zahl 100. Der Einfachheit halber wird bei der Beschreibung der in 4 gezeigten Ausführungsform lediglich auf Unterschiede gegenüber der in 3 gezeigten Ausführungsform eingegangen, auf deren Beschreibung im Übrigen ausdrücklich Bezug genommen wird.
Die in 4 gezeigte Membran 204 unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Membran 104 lediglich dadurch, dass sie auf einer den Elektroden 216 der piezoelektrischen Einheitszellen 212 gegenüberliegenden Seite der piezoelektrischen Schicht 214 eine durchgehende elektrisch leitfähige Schicht 224 aufweist, welche beispielsweise aus einem Metall gebildet sein kann. Die elektrisch leitfähige Schicht 224 kann beispielsweise für einen definierten Feldverlauf eines in einer piezoelektrischen Einheitszelle 212 induzierten elektrischen Feldes sorgen. Zusätzlich kann die elektrisch leitfähige Schicht 224 als Referenzelektrode dienen, um ein Referenzpotenzial VRef für die piezoelektrischen Einheitszellen 212 sowohl an den Wellenbergen 208 als auch in den Wellentälern 210 bereitzustellen. Hierdurch kann im Falle eines Sensors, etwa eines Mikrofons, ein differenzielles Detektionsschema realisiert werden, bei welchem die in den piezoelektrischen Einheitszellen 212 an den Wellenbergen 208 induzierte elektrische Spannung und die in den piezoelektrischen Einheitszellen 212 in den Wellentälern 210 induzierte elektrische Spannung voneinander subtrahiert werden können, um gemeinsame Rauschbeiträge zu eliminieren. Hierdurch kann letztlich eine hohe Sensitivität erzielt werden.
Jede piezoelektrische Einheitszelle 212 in 4 weist somit an gegenüberliegenden Seiten ihrer piezoelektrischen Schicht 214 jeweils eine Elektrode 216, 224 auf. Die Elektroden 216 auf einer ersten Seite der piezoelektrischen Schichten 214 sind gesondert voneinander ausgebildet, während die Elektroden 224 an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der piezoelektrischen Schichten 214 einstückig miteinander ausgebildet sind. Der gewellte Abschnitt 206 der in 4 gezeigten Membran 204 weist somit einen geschichteten Aufbau auf, welcher als eine Schicht die elektrisch leitfähige Schicht 224 und als weitere Schicht die piezoelektrische Schicht 214 aufweist.
Nachfolgend wird durch Bezugnahme auf 5 eine weitere beispielhafte Ausführungsform beschrieben werden. Dabei werden gleiche Bauteile bzw. Bauteilabschnitte wie in 3 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 3 versehen werden, allerdings im Vergleich zu 3 erhöht um die Zahl 200. Der Einfachheit halber wird bei der Beschreibung der in 5 gezeigten Ausführungsform lediglich auf Unterschiede gegenüber der in 3 gezeigten Ausführungsform eingegangen, auf deren Beschreibung im Übrigen ausdrücklich Bezug genommen wird.
Bei der in 5 gezeigten Membran 304 kann bzw. können eine oder mehrere piezoelektrische Einheitszelle 312 oder sogar jede piezoelektrische Einheitszelle 312 zwei Elektroden 316, 317 aufweisen, welche jeweils mit der zugeordneten piezoelektrischen Schicht 314 in elektrischem Kontakt stehen, wobei die Elektroden 316, 317 einer piezoelektrischen Einheitszelle 312 gesondert von den Elektroden 316, 317 jeder anderen piezoelektrischen Einheitszelle 312 ausgebildet sind. Die Elektroden 316, 317 einer piezoelektrischen Einheitszelle 312 sind an gegenüberliegenden Seiten einer piezoelektrischen Schicht 314 angeordnet. Durch diese Ausgestaltung kann für einen definierten Verlauf eines in einer piezoelektrischen Einheitszelle 312 induzierten elektrischen Feldes gesorgt werden. Eine in einer bestimmten piezoelektrischen Einheitszelle 312 induzierte elektrische Spannung U1-U5 kann, wie in 5 gezeigt, lokal abgegriffen werden. Bei der in 5 gezeigten Membran 304 existiert somit eine Mehrzahl unabhängiger Spannungsquellen, die elektrisch in Reihe miteinander geschaltet werden können, um eine hohe Ausgangsspannung abgreifen zu können. Hierdurch kann, beispielsweise im Falle eines Sensors, eine hohe Detektionssensitivität erzielt werden.
Das Abgreifen der induzierten elektrischen Spannung gemäß 5 bietet somit eine Alternative zu dem in den 3 und 4 gezeigten Schema, bei dem die Elektroden an den Wellenbergen elektrisch parallel geschaltet sind und die Elektroden in den Wellentälern elektrisch parallel geschaltet sind. Hierdurch bieten sich also Alternativen, welche in Abhängigkeit eines nachgeschalteten Ausleseschaltkreises, etwa eines Verstärkers, individuell gewählt werden können, um beispielsweise eine kapazitive Anpassung oder eine Impedanzanpassung bereitstellen zu können.
Nachfolgend wird durch Bezugnahme auf 6 eine weitere beispielhafte Ausführungsform beschrieben werden. Dabei werden gleiche Bauteile bzw. Bauteilabschnitte wie in 3 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 3 versehen werden, allerdings im Vergleich zu 3 erhöht um die Zahl 300. Der Einfachheit halber wird bei der Beschreibung der in 6 gezeigten Ausführungsform lediglich auf Unterschiede gegenüber der in 3 gezeigten Ausführungsform eingegangen, auf deren Beschreibung im Übrigen ausdrücklich Bezug genommen wird.
Die in 6 gezeigte Membran 404 unterscheidet sich von der Membran 104 gemäß 3 darin, dass die Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen 412 keine gemeinsame piezoelektrische Schicht aufweisen, sondern voneinander verschiedene piezoelektrische Schichten 414 welche mit einer jeweiligen Elektrode 416 in elektrischem Kontakt stehen. Die Membran 404 weist im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Membran 104 einen von den piezoelektrischen Schichten 414 verschiedenen Träger 426 auf, welcher aus einem nicht-piezoelektrischen Material gebildet sein kann, wie etwa aus einem Halbleitermaterial, z.B. Silizium. Der Träger 426 weist eine gewellte Gestalt auf und definiert dadurch eine Mehrzahl von Wellenbergen 408 und eine Mehrzahl von Wellentälern 410.
Dank des aus einem nicht-piezoelektrischen Material gebildeten Trägers 426 kann die Membran 404 mit einer wohldefinierten Gestalt hergestellt werden, da die Wellenform des gewellten Abschnitts der Membran 404 unter Umständen präziser aus einem nicht-piezoelektrischen Material als aus einem piezoelektrischen Material hergestellt werden kann, da das Wachstum von piezoelektrischen Materialien oft eine starke Richtungsabhängigkeit aufweist.
Der aus einem nicht-piezoelektrischen Material gebildete Träger 426 ermöglicht zudem eine elektrische Entkopplung der Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen 412, die ein Übersprechen und eine dadurch gegebenenfalls bedingte Kompensation von in verschiedenen piezoelektrischen Einheitszellen 412 induzierten elektrischen Feldern verhindert. Dadurch kann ein definiertes Verhalten der Membran 404 sichergestellt werden.
Wie in 6 gezeigt, kann die Membran 404 mit einer einstückigen Elektrode 424 an der zu den piezoelektrischen Einheitszellen 412 weisenden Seite des Trägers 426 bereitgestellt sein, welche, wie vorangehend erwähnt, beispielsweise als gemeinsame Elektrode ein differenzielles Detektionsschema ermöglichen kann.
Nachfolgend wird durch Bezugnahme auf 7 eine weitere beispielhafte Ausführungsform beschrieben werden. Dabei werden gleiche Bauteile bzw. Bauteilabschnitte wie in 6 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 6 versehen werden, allerdings im Vergleich zu 6 erhöht um die Zahl 100. Der Einfachheit halber wird bei der Beschreibung der in 7 gezeigten Ausführungsform lediglich auf Unterschiede gegenüber der in 6 gezeigten Ausführungsform eingegangen, auf deren Beschreibung im Übrigen ausdrücklich Bezug genommen wird.
Die in 7 gezeigte Membran 504 unterscheidet sich von der Membran 404 gemäß 6 darin, dass wenigstens eine piezoelektrische Einheitszelle 512, eine Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen 512 oder sogar jede piezoelektrische Einheitszelle 512 zwei Elektroden 516, 517 aufweist, welche auf gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen piezoelektrischen Schichten 514 bereitgestellt und jeweils gesondert von den Elektroden 516, 517 jeder anderen piezoelektrischen Einheitszelle 512 ausgebildet sind. Hierdurch können die in den jeweiligen piezoelektrischen Einheitszellen 512 induzierten elektrischen Spannungen U1-U5, ähnlich wie bei der in 5 gezeigten Ausführungsform, lokal ausgelesen werden. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der in 5 gezeigten Ausführungsform verwiesen.
Nachfolgend wird durch Bezugnahme auf die 8 eine weitere beispielhafte Ausführungsform beschrieben werden. Dabei werden gleiche Bauteile bzw. Bauteilabschnitte wie in 2 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 2 versehen werden, allerdings im Vergleich zu 2 erhöht um die Zahl 500. Der in 8 gezeigte Transducer wird nur insoweit beschrieben werden als er sich von dem in 2 gezeigten Transducer unterscheidet, auf dessen Beschreibung im Übrigen ausdrücklich Bezug genommen wird.
Der in 8 gezeigte Transducer 600 weist eine an einem Halter 602 getragene Membran 604 mit einem gewellten Abschnitt 606 auf. Der gewellte Abschnitt 606 weist eine Mehrzahl von Wellenbergen 608 und eine Mehrzahl von Wellentälern 610 auf. Diese können, wie in 8 angedeutet, in einer radialen Richtung R der Membran 604 alternierend aufeinanderfolgend angeordnet sein. An jedem Wellenberg 608 und in jedem Wellental kann eine piezoelektrische Einheitszelle 612 bereitgestellt sein, welche jeweils eine auf einer Seite der Membran 604 bereitgestellte Elektrode aufweisen.
Wie ebenfalls in 8 gezeigt, kann der gewellte Abschnitt 606 in einer Umfangsrichtung C der Membran 604 in eine Mehrzahl von Umfangsabschnitten 606a-c segmentiert sein, beispielsweise in einen ersten, einen zweiten und einen dritten Umfangsabschnitt 606a, 606b, 606c. Dementsprechend können auch die an den Wellenbergen 608 und in den Wellentälern 610 bereitgestellten piezoelektrischen Einheitszellen 612 und die zugehörigen Elektroden in der Umfangsrichtung C segmentiert sein. In einem Umfangsabschnitt 606a-c des gewellten Abschnitts 606 kann eine Mehrzahl von an jeweiligen Wellenbergen 608 bereitgestellten Elektroden elektrisch miteinander parallel geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann in einem Umfangsabschnitt 606a-c des gewellten Abschnitts 606 eine Mehrzahl von in jeweiligen Wellentälern 610 bereitgestellten Elektroden elektrisch parallel zueinander geschaltet sein.
Wie in 8 gezeigt, können die in den Wellentälern 610a des ersten Umfangsabschnitts 606a des gewellten Abschnitts 606 bereitgestellten Elektroden 616a elektrisch parallel zueinander an einem Ende in Umfangsrichtung C durch eine erste Sammelschiene 617S-1 und an einem gegenüberliegenden Ende in der Umfangsrichtung C durch eine erste Verbindungsschiene 617V-1 verbunden sein. Die erste Sammelschiene 617S-1 kann als eine sich in radialer Richtung R erstreckende Schiene ausgebildet sein, welche zwischen dem ersten und dem dritten Umfangsabschnitt 606a, 606c des gewellten Abschnitts 606 angeordnet ist.
Die erste Verbindungsschiene 617V-1 verbindet gleichzeitig die an den Wellenbergen 608b im zweiten Umfangsabschnitt 606b des gewellten Abschnitts 606 bereitgestellten Elektroden 616b-B elektrisch parallel zueinander und gleichzeitig elektrisch in Reihe mit den im ersten Umfangsabschnitt 606a des gewellten Abschnitts 606 elektrisch parallel geschalteten Elektroden 616a in den Wellentälern 610a.
Die in den Wellentälern 610b des zweiten Umfangsabschnitts 606b des gewellten Abschnitts 606 bereitgestellten Elektroden 616b-T können miteinander parallel mittels einer zweiten Verbindungsschiene 617V-2 verbunden sein, welche sich in Umfangsrichtung C zwischen dem zweiten und dritten Umfangsabschnitt 606b, 606c des gewellten Abschnitts 606 befindet und sich in radialer Richtung R erstreckt.
Die zweite Verbindungsschiene 617V-2 verbindet gleichzeitig die an den Wellenbergen 608c in dem dritten Umfangsabschnitt 606c des gewellten Abschnitts 606 bereitgestellten Elektroden 616c an einem Endabschnitt in Umfangsrichtung C elektrisch parallel miteinander. Durch die zweite Verbindungsschiene 617V-2 ist somit eine elektrische Reihenschaltung zwischen den in dem zweiten Umfangsabschnitt 606b parallel geschalteten Elektroden 616b-T in den Wellentälern 610b und den in dem dritten Umfangsabschnitt 606c parallel geschalteten Elektroden 616c an den Wellenbergen 608c bereitgestellt.
Ein zu der zweiten Verbindungsschiene 617V-2 in Umfangsrichtung C entgegengesetztes Ende der parallel geschalteten Elektroden 616c in dem dritten Umfangsabschnitt 606c des gewellten Abschnitts 606 ist mit einer zweiten Sammelschiene 617S-2 elektrisch verbunden sein. Mittels der ersten und der zweiten Sammelschiene 617S-1, 617S-2 kann eine Gesamtspannung an der Membran 604 abgegriffen werden.
Die in 8 gezeigte Konfiguration bietet beispielsweise eine einfache und kompakte Möglichkeit einer Maximierung einer in der Membran 604 durch eine Auslenkung erzeugbaren elektrischen Spannung. Ebenso kann mit dieser Konfiguration durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Sammelschienen 617S-1 und 617S-2 eine definierte Auslenkung der Membran 604 herbeigeführt werden, falls der in 8 gezeigte mikroelektromechanische Transducer 600 als Aktor oder als Teil eines Aktors ausgebildet ist.
Wie in 9 gezeigt, kann beispielsweise zur Ermöglichung eines zuvor erläuterten differenziellen Messschemas in Zuordnung zu jedem Umfangsabschnitt 606a-c jeweils eine einheitliche Referenzelektrode 624a-c an einer Rückseite der Membran 604 bereitgestellt sein, welche jeweils mit einem eigenen Anschlussabschnitt 625a-c versehen sein können.
In 10 ist ein beispielhafter mikroelektromechanischer Transducer 700 gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Der mikroelektromechanische Transducer 700 weist eine Membran 704 auf, welche in einem Randbereich 704R an einem Halter 702 festgelegt ist. Die Membran 704 weist ferner einen gewellten Abschnitt 706 auf, welcher eine Mehrzahl von Wellenbergen 708 und eine Mehrzahl von Wellentälern 710 aufweist, an welchen jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle 712 mit einer piezoelektrischen Schicht und wenigstens einer Elektrode bereitgestellt sein kann. Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Membran 104 weisen die Wellenberge 708 und die Wellentäler 710 eine im Wesentlichen radiale Haupterstreckung auf. Die Wellenberge 708 und die Wellentäler 710 sind aufeinanderfolgend alternierend in einer Umfangsrichtung C der Membran 704 angeordnet. Im Übrigen gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit den in den 2 bis 7 gezeigten Ausführungsformen auch für den in 10 gezeigten Transducer 700. Das bedeutet insbesondere, dass die in den Wellentälern 710 und an den Wellenbergen 708 bereitgestellten Einheitszellen 712 wie in den 3 bis 7 dargestellt ausgebildet und miteinander elektrisch verschaltet sein können. Die Schnittdarstellungen der 3 bis 7 können somit als Schnitte durch den in 10 gezeigten Transducer 700 entlang der in 10 gezeigten Linie III-VII aufgefasst werden.
Die hier beschriebenen Transducer 100-700 können beispielsweise in Mikrofonen, Lautsprechern, Beschleunigungssensoren oder in Drucksensoren eingesetzt werden. Nachfolgend wird durch Bezugnahme auf die 11 ein beispielhaftes mikroelektromechanisches Mikrofon 800 beschrieben, in welchem ein zuvor beschriebener Transducer eingebaut ist. Der Einfachheit halber wird hier angenommen, dass es sich hierbei um den in 2 gezeigten Transducer 100 handelt.
Das Mikrofon 800 kann ein Gehäuse 802 mit einer Schalleintrittsöffnung 804 aufweisen, in dessen Inneres der Transducer 100 eingebaut ist. Durch die Schalleintrittsöffnung 804 können zu detektierende Schallwellen S in das Innere des Gehäuses 802 eintreten. Wie in 11 angedeutet, überlappt die Membran 104 die Schalleintrittsöffnung 804, so dass durch die Schalleintrittsöffnung 804 in das Innere des Gehäuses 802 eintretende Schallwellen S direkt auf die Membran 104 auftreffen können. Der Transducer 100 kann dazu eingerichtet sein, Charakteristiken der zu detektierenden Schallwellen S, wie etwa eine Schallfrequenz oder einen Schalldruck, in elektrische Signale umzusetzen und diese über Signalleitungen 806 an eine Steuerungseinheit 808 zu übermitteln. Die Steuerungseinheit 808 kann die von dem Transducer 100 erhaltenen elektrischen Signale auswerten und aus Ihnen Charakteristiken der zu detektierenden Schallwellen S ermitteln. Die Steuerungseinheit 808 kann beispielsweise einen Mikroprozessor oder/und eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder/und ein Field Programmable Gate Array (FPGA) aufweisen. Ein mikroelektromechanisches Mikrofon gemäß 11 kann beispielsweise in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung, wie etwa einem Mobiltelefon, einem Laptop oder einem Tablet, eingebaut sein.
Nachfolgend wir durch Bezugnahme auf die 12 bis 17 ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Transducers beschrieben. In diesen Figuren ist aus Einfachheitsgründen lediglich ein Teil eines herzustellenden Transducers gezeigt.
Das Verfahren kann ein Bilden einer Negativform 1000 für eine herzustellende Membran aufweisen, welche eine zu einer Seite der Membran komplementäre Seite 1001 mit wenigstens einem Wellenberg und wenigstens einem Wellental aufweist.
Das Bilden einer derartigen Negativform 1000 ist in 12 veranschaulicht. Hierbei kann auf ein Substrat 1002 eine Opfermaterialschicht 1004 abgeschieden werden, in welcher anschließend eine Mehrzahl von Ausnehmungen 1006 gebildet werden kann. Alternativ kann die Mehrzahl von Ausnehmungen 1006 sowohl in der Opfermaterialschicht 1004 als auch in dem Substrat 1002 gebildet werden. Hierdurch kann eine Mehrzahl von Wellenbergen 1010 sowie eine Mehrzahl von Wellentälern 1012 definiert werden, welche eine im Wesentliche komplementäre Gestalt zu einem gewellten Abschnitt einer herzustellenden Membran aufweisen können. Das Substrat 1002 kann beispielsweise aus einem einkristallinen Halbleitermaterial gebildet sein, etwa einkristallinem Silizium. Die Opferschicht 1004 kann beispielsweise aus einem Oxid, wie etwa SiO_x, gebildet sein. Das Bilden der Ausnehmungen 1006 kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen.
Das Abscheiden der Opfermaterialschicht 1004 ist optional. In einem alternativen beispielhaften Verfahren kann auf eine Opfermaterialschicht verzichtet werden. Wenigstens eine oder eine Mehrzahl von Ausnehmungen zum Bilden wenigstens eines Wellentals und wenigstens eines Wellenbergs kann in einem solchen Fall nur in dem Substrat 1002 gebildet werden.
Anschließend kann auf der Negativform eine Membran sowie in wenigstens einem der Wellentäler 1012 und an wenigstens einem der Wellenberge 1010 jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle gebildet werden. Hierzu kann, wie in 13 gezeigt, zunächst eine elektrisch leitfähige Schicht 1014 auf die Negativform 1000 großflächig abgeschieden werden, welche auch die zu den Wellenbergen 1010 und den Wellentälern 1012 korrespondierenden Abschnitte der Negativform 1000 abdecken. Die elektrisch leitfähige Schicht kann beispielsweise aus einem Metall gebildet sein.
Auf die elektrisch leitfähige Schicht 1014 kann anschließend, wie in 14 gezeigt, eine piezoelektrische Schicht 1016, beispielsweise durch Sputtern, abgeschieden werden, welche ihrerseits eine Mehrzahl von Wellentälern 1018 und eine Mehrzahl von Wellenbergen 1020 definiert. Somit bildet die elektrisch leitfähige Schicht 1014 zusammen mit der piezoelektrischen Schicht 1016 eine Membran 1021, welche eine zu der Negativform 1000 komplementäre Seite aufweist.
Nach dem Bilden der Membran 1021 kann in den Wellentälern 1018 und an den Wellenbergen 1020 jeweils eine Elektrode 1022, etwa durch Abscheiden eines Metalls, gebildet werden.
Zur Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Schicht 1014, welche eine Referenzelektrode bilden kann, kann anschließend, wie in 16 gezeigt, eine Öffnung 1024 in der piezoelektrischen Schicht 1016 gebildet werden, in welcher ein Kontaktpad 1026 zur Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Schicht 1014, wie in 17 gezeigt, gebildet werden kann. Weitere Kontaktpads 1028 können auch an den auf der piezoelektrischen Schicht 1016 gebildeten Elektroden 1022 gebildet werden, um diese elektrisch zu kontaktieren.
Wie ferner in 17 gezeigt, kann anschließend ein Teil des Substrats 1002 sowie ein Teil der Opferschicht 1004 entfernt werden, um einen Halter 1030 zu bilden und um die Membran 1021 freizulegen. Der gemäß diesem Verfahren gebildete Transducer weist im Wesentlichen einen Aufbau gemäß 4 auf.
Bei der Entfernung eines Teils der Opferschicht 1004 sowie eines Teils des Substrats 1002 kann auch eine mit Bezug auf 2 beschriebene träge Masse gebildet werden, indem die Opferschicht 1004 sowie das Substrat 1002 in einem von einem Randbereich verschiedenen Bereich der Membran 1021 nicht entfernt wird. Eine auf diese Weise gebildete träge Masse 1032 ist in 17 gestrichelt dargestellt. In der beispielhaften Darstellung gemäß 17 ist die träge Masse 1032 an einem gewellten Abschnitt der Membran 1021 bereitgestellt. Sie kann selbstverständlich ähnlich der 2 in einem mittleren Bereich der Membran 1021 bereitgestellt sein, welcher nicht gewellt ist. In 17 ist lediglich ein Abschnitt der Membran 1021 gezeigt, welcher einen gewellten Abschnitt und einen mit dem Halter 1030 verbundenen Bereich aufweist. Daher ist aus Einfachheitsgründen eine an einem nicht-gewellten mittleren Abschnitt der Membran 1021 bereitgestellte träge Masse hier nicht gezeigt.
Wird, wie vorangehend erwähnt, auf eine Opfermaterialschicht verzichtet, so kann zum Bilden eines Halters oder/und einer trägen Masse lediglich ein Teil des Substrats entfernt werden.
Das vorangehend beschriebene Verfahren kann leicht abgewandelt werden, um die anderen hier beschriebenen Ausführungsformen herzustellen. Wird beispielsweise auf die elektrisch leitfähige Schicht 1016 verzichtet, kann die in 3 gezeigte Membran 104 hergestellt werden. Wird vor dem Abscheiden der piezoelektrischen Schicht 1016 die elektrisch leitfähige Schicht 1014 in Zuordnung zu den Wellentälern und den Wellenbergen in eine Mehrzahl von Elektroden strukturiert, kann beispielsweise die in 5 gezeigte Ausführungsform hergestellt werden.
In 18 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen eines beispielhaften mikroelektromechanischen Transducers gezeigt. Dieses kann aufweisen: Abscheiden einer Opfermaterialschicht auf ein Substrat (S100),
Bilden wenigstens einer Ausnehmung in der Opfermaterialschicht zum Bilden wenigstens eines Wellenbergs und wenigstens eines Wellentals (S200),
Abscheiden einer piezoelektrischen Schicht auf den wenigstens einen Wellenberg und in das wenigstens eine Wellental (S300),
Bilden einer Elektrode an wenigstens einem Wellenberg und einer Elektrode in wenigstens einem Wellental (S400),
Entfernen eines Teils der Opfermaterialschicht und des Substrats zum Bilden eines Halters (S500).
Wie vorangehend erwähnt, kann auf das Abscheiden einer Opfermaterialschicht auf das Substrat verzichtet werden, wobei die wenigstens eine Ausnehmung dann in dem Substrat zu bilden ist.
Nachfolgend werden zahlreiche beispielhafte Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden.
Beispiel 1 ist ein mikroelektromechanischer Transducer, aufweisend eine verlagerbare Membran, welche einen gewellten Abschnitt mit wenigstens einem Wellental und wenigstens einem Wellenberg aufweist, wobei in wenigstens einem Wellental und an wenigstens einem Wellenberg jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle bereitgestellt ist, wobei jede piezoelektrische Einheitszelle eine piezoelektrische Schicht und wenigstens eine mit der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt stehende Elektrode aufweist. Die Membran kann als flächiges Bauteil ausgebildet sein, welches in einer ersten und einer zweiten Raumrichtung, die orthogonal zueinander sind, eine wesentlich größere Erstreckung als in einer dritten Raumrichtung aufweist, welche orthogonal zu der ersten und der zweiten Raumrichtung ist und eine axiale Richtung der Membran definiert. Der wenigstens eine Wellenberg und das wenigstens eine Wellental können in einer radialen Richtung oder in einer Umfangsrichtung der Membran aufeinanderfolgend bereitgestellt sein.
In Beispiel 2 kann der Gegenstand des Beispiels 1 optional ferner aufweisen, dass der gewellte Abschnitt eine Mehrzahl von Wellenbergen oder/und eine Mehrzahl von Wellentälern aufweist.
In Beispiel 3 kann der Gegenstand des Beispiels 1 oder 2 optional ferner aufweisen, dass wenigstens eine piezoelektrische Einheitszelle auf lediglich einer Seite ihrer piezoelektrischen Schicht eine Elektrode aufweist, wobei optional mehrere piezoelektrische Einheitszellen auf lediglich einer Seite ihrer jeweiligen piezoelektrischen Schichten eine Elektrode aufweisen, wobei die Elektroden verschiedener piezoelektrischer Einheitszellen gesondert voneinander ausgebildet sind.
In Beispiel 4 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 3 optional ferner aufweisen, dass wenigstens eine piezoelektrische Einheitszelle auf einander gegenüberliegenden Seiten ihrer piezoelektrischen Schicht Elektroden aufweist.
In Beispiel 5 kann der Gegenstand des Beispiels 4 optional ferner aufweisen, dass eine Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen auf einander gegenüberliegenden Seiten ihrer piezoelektrischen Schichten Elektroden aufweisen, wobei die Elektroden der Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen auf einer ersten Seite der piezoelektrischen Schichten gesondert voneinander ausgebildet sind und die Elektroden der Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der piezoelektrischen Schichten einstückig miteinander ausgebildet sind.
In Beispiel 6 kann der Gegenstand des Beispiels 4 oder 5 optional ferner aufweisen, dass wenigstens eine piezoelektrische Einheitszelle auf einander gegenüberliegenden Seiten ihrer piezoelektrischen Schicht Elektroden aufweist, die jeweils gesondert von Elektroden jeder anderen piezoelektrischen Einheitszelle ausgebildet sind.
In Beispiel 7 kann der Gegenstand des Beispiels 2 und eines der Beispiele 3 bis 6 optional ferner aufweisen, dass an einer Mehrzahl von Wellenbergen jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle bereitgestellt ist, wobei mehrere der oder alle an der Mehrzahl von Wellenbergen bereitgestellten Einheitszellen jeweils auf derselben Seite ihrer piezoelektrischen Schichten Elektroden aufweisen, welche voneinander gesondert ausgebildet und miteinander elektrisch parallel geschaltet sind oder/und wobei in einer Mehrzahl von Wellentälern jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle bereitgestellt ist, wobei mehrere der oder alle in der Mehrzahl von Wellentälern bereitgestellten Einheitszellen jeweils auf derselben Seite ihrer piezoelektrischen Schichten Elektroden aufweisen, welche voneinander gesondert ausgebildet und miteinander elektrisch parallel geschaltet sind.
In Beispiel 8 kann der Gegenstand des Beispiels 7 optional ferner eine Mehrzahl der an den Wellenbergen bereitgestellten elektrisch parallel geschalteten Elektroden und eine Mehrzahl der in den Wellentälern bereitgestellten elektrisch parallel geschalteten Elektroden aufweisen, wobei die an den Wellenbergen bereitgestellten und miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden elektrisch in Reihe mit den in den Wellentälern bereitgestellten und miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden geschaltet sind.
In Beispiel 9 kann der Gegenstand des Beispiels 8 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl der Wellenberge, an welchen die Mehrzahl der miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden bereitgestellt ist, in der radialen Richtung der Membran aufeinanderfolgend angeordnet ist und wobei die Mehrzahl der Wellentäler, in welchen die Mehrzahl der miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden bereitgestellt ist, in der radialen Richtung der Membran aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei optional die an der Mehrzahl der Wellenberge bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden und die in der Mehrzahl der Wellentäler bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden, die miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, in der Umfangsrichtung der Membran gegeneinander, optional überlappungsfrei, versetzt sind.
In Beispiel 10 kann der Gegenstand des Beispiels 9 optional ferner aufweisen, dass in der Umfangsrichtung zwischen den an der Mehrzahl der Wellenberge bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden und den in der Mehrzahl der Wellentäler bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden eine sich in der radialen Richtung erstreckende Verbindungselektrode bereitgestellt ist, über welche die an der Mehrzahl der Wellenberge bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden mit den in der Mehrzahl der Wellentäler bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden elektrisch in Reihe verbunden sind.
In Beispiel 11 kann der Gegenstand des Beispiels 5 und eines der Beispiele 9 oder 10 optional ferner aufweisen, dass die zu der Mehrzahl der an den Wellenbergen bereitgestellten und miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden korrespondierenden piezoelektrischen Einheitszellen an einer von den parallel geschalteten Elektroden abgewandten Seite der jeweiligen piezoelektrischen Schichten eine gemeinsame erste Referenzelektrode aufweisen und dass die zu der Mehrzahl der in den Wellentälern bereitgestellten und miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden korrespondierenden piezoelektrischen Einheitszellen an einer von den parallel geschalteten Elektroden abgewandten Seite der jeweiligen piezoelektrischen Schichten eine gemeinsame zweite Referenzelektrode aufweisen, wobei die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode gesondert voneinander ausgebildet und in der Umfangsrichtung der Membran gegeneinander, optional überlappungsfrei, versetzt angeordnet sind.
In Beispiel 12 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 11 optional ferner aufweisen, dass die piezoelektrischen Schichten einer Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen einstückig miteinander ausgebildet sind.
In Beispiel 13 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 12 optional ferner aufweisen, dass die piezoelektrischen Schichten einer Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen getrennt voneinander ausgebildet sind.
In Beispiel 14 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 13 optional ferner aufweisen, dass der gewellte Abschnitt einen von den piezoelektrischen Einheitszellen verschiedenen gewellten Träger aufweist, wobei der Träger optional aus einem nicht-piezoelektrischen Material gebildet ist.
In Beispiel 15 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 14 optional ferner aufweisen, dass wenigstens ein Wellenberg und wenigstens ein Wellental eine im Wesentlichen kreisförmige oder kreissegmentförmige Gestalt aufweisen und optional konzentrisch sind.
In Beispiel 16 kann der Gegenstand des Beispiels 2 und eines der Beispiele 3 bis 15 optional ferner eine Mehrzahl von Wellenbergen und eine Mehrzahl von Wellentälern aufweisen, welche in der radialen Richtung der Membran alternierend aufeinanderfolgend bereitgestellt sind.
In Beispiel 17 kann der Gegenstand der Beispiele 15 und 16 optional ferner aufweisen, dass die Mehrzahl von Wellentälern oder/und die Mehrzahl von Wellenbergen eine im Wesentlichen kreisförmige oder kreissegmentförmige Gestalt aufweisen und optional konzentrisch sind.
In Beispiel 18 kann der Gegenstand des Beispiels 2 und eines der Beispiele 3 bis 17 optional ferner eine Mehrzahl von Wellenbergen und eine Mehrzahl von Wellentälern aufweisen, welche jeweils eine im Wesentlichen radiale Haupterstreckung aufweisen und in der Umfangsrichtung der Membran alternierend aufeinanderfolgend bereitgestellt sind.
In Beispiel 19 kann der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 18 optional ferner aufweisen, dass die Membran als geschlossenes Bauteil ausgebildet ist, welches frei von Fluiddurchgangsöffnungen ist.
Beispiel 20 ist ein mikroelektromechanischer Drucksensor, aufweisend einen mikroelektromechanischen Transducer nach einem der Beispiele 1 bis 19.
Beispiel 21 ist ein mikroelektromechanischer Beschleunigungssensor, aufweisend einen mikroelektromechanischen Transducer nach einem der Beispiele 1 bis 19, wobei optional an der Membran des Transducers eine träge Masse bereitgestellt ist, welche weiter optional gesondert von der Membran ausgebildet ist.
Beispiel 22 ist ein mikroelektromechanisches Mikrofon, aufweisend einen mikroelektromechanischen Transducer nach einem der Beispiele 1 bis 19.
Beispiel 23 ist ein mikroelektromechanischer Lautsprecher, aufweisend einen mikroelektromechanischen Transducer nach einem der Beispiele 1 bis 19.
Beispiel 24 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Transducers nach einem der Beispiele 1 bis 19, aufweisend: Bilden einer Negativform für die Membran, welche eine zu einer Seite der Membran komplementäre Seite mit wenigstens einem Wellenberg und wenigstens einem Wellental aufweist, Bilden der Membran auf der Seite der Negativform, welche wenigstens einen Wellenberg und wenigstens ein Wellental aufweist, und Bilden einer piezoelektrischen Einheitszelle an wenigstens einem Wellenberg der Membran und einer piezoelektrischen Einheitszelle in wenigstens einem Wellental der Membran.
In Beispiel 25 kann der Gegenstand des Beispiels 24 optional ferner aufweisen, dass das Bilden der Negativform aufweist: Bilden des wenigstens einen Wellentals der Negativform und des wenigstens einen Wellenbergs der Negativform in einem Substrat, optional: Abscheiden einer Opfermaterialschicht auf ein Substrat und Bilden des wenigstens einen Wellentals der Negativform und des wenigstens einen Wellenbergs der Negativform in der Opfermaterialschicht oder in der Opfermaterialschicht und dem Substrat.
In Beispiel 26 kann der Gegenstand des Beispiels 25 optional ferner aufweisen, dass das Bilden des wenigstens einen Wellentals der Negativform und des wenigstens einen Wellenbergs der Negativform ein Bilden wenigstens einer Ausnehmung in dem Substrat oder/und in der Opfermaterialschicht aufweist.
In Beispiel 27 kann der Gegenstand eines der Beispiele 24 bis 26 optional ferner aufweisen, dass das Bilden der Membran aufweist: Abscheiden einer Schicht aus einem piezoelektrischen oder/und einem nicht-piezoelektrischen Material auf die Negativform.
In Beispiel 28 kann der Gegenstand eines der Beispiele 24 bis 27 optional ferner aufweisen, dass das Bilden der piezoelektrischen Einheitszellen aufweist: Abscheiden einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material auf den wenigstens einen Wellenberg der Negativform oder der Membran und Abscheiden einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material in das wenigstens eine Wellental der Negativform oder der Membran, wobei die piezoelektrischen Schichten einer Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen einstückig miteinander oder gesondert voneinander gebildet werden.
In Beispiel 29 kann der Gegenstand des Beispiels 28 optional ferner aufweisen, dass das Bilden der piezoelektrischen Einheitszellen ferner aufweist: Abscheiden einer elektrisch leitfähigen Schicht auf den wenigstens einen Wellenberg der Negativform oder der Membran und Abscheiden einer elektrisch leitfähigen Schicht in das wenigstens eine Wellental der Negativform oder der Membran, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten einer Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen einstückig miteinander oder gesondert voneinander gebildet werden.
In Beispiel 30 kann der Gegenstand eines der Beispiele 24 bis 29 optional ferner aufweisen: Entfernen eines Teils der Negativform zum Bilden eines die Membran tragenden Halters.

Claims

Mikroelektromechanischer Transducer, aufweisend eine verlagerbare Membran, welche einen gewellten Abschnitt mit wenigstens einem Wellental und wenigstens einem Wellenberg aufweist, wobei in wenigstens einem Wellental und an wenigstens einem Wellenberg jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle bereitgestellt ist, wobei jede piezoelektrische Einheitszelle eine piezoelektrische Schicht und wenigstens eine mit der piezoelektrischen Schicht in elektrischem Kontakt stehende Elektrode aufweist, wobei die Membran als flächiges Bauteil ausgebildet ist, welches in einer ersten und einer zweiten Raumrichtung, die orthogonal zueinander sind, eine wesentlich größere Erstreckung als in einer dritten Raumrichtung aufweist, welche orthogonal zu der ersten und der zweiten Raumrichtung ist und eine axiale Richtung der Membran definiert, wobei der wenigstens eine Wellenberg und das wenigstens eine Wellental in einer radialen Richtung der Membran aufeinanderfolgend bereitgestellt sind oder wobei der wenigstens eine Wellenberg und das wenigstens eine Wellental in einer Umfangsrichtung der Membran aufeinanderfolgend bereitgestellt sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 1, wobei der gewellte Abschnitt eine Mehrzahl von Wellenbergen oder/und eine Mehrzahl von Wellentälern aufweist.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine piezoelektrische Einheitszelle auf lediglich einer Seite ihrer piezoelektrischen Schicht eine Elektrode aufweist, wobei optional mehrere piezoelektrische Einheitszellen auf lediglich einer Seite ihrer jeweiligen piezoelektrischen Schichten eine Elektrode aufweisen, wobei die Elektroden verschiedener piezoelektrischer Einheitszellen gesondert voneinander ausgebildet sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens eine piezoelektrische Einheitszelle auf einander gegenüberliegenden Seiten ihrer piezoelektrischen Schicht Elektroden aufweist.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 4, wobei eine Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen auf einander gegenüberliegenden Seiten ihrer piezoelektrischen Schichten Elektroden aufweisen, wobei die Elektroden der Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen auf einer ersten Seite der piezoelektrischen Schichten gesondert voneinander ausgebildet sind und die Elektroden der Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der piezoelektrischen Schichten einstückig miteinander ausgebildet sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 4 oder 5, wobei wenigstens eine piezoelektrische Einheitszelle auf einander gegenüberliegenden Seiten ihrer piezoelektrischen Schicht Elektroden aufweist, die jeweils gesondert von Elektroden jeder anderen piezoelektrischen Einheitszelle ausgebildet sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei an einer Mehrzahl von Wellenbergen jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle bereitgestellt ist, wobei mehrere der oder alle an der Mehrzahl von Wellenbergen bereitgestellten Einheitszellen jeweils auf derselben Seite ihrer piezoelektrischen Schichten Elektroden aufweisen, welche voneinander gesondert ausgebildet und miteinander elektrisch parallel geschaltet sind oder/und wobei in einer Mehrzahl von Wellentälern jeweils eine piezoelektrische Einheitszelle bereitgestellt ist, wobei mehrere der oder alle in der Mehrzahl von Wellentälern bereitgestellten Einheitszellen jeweils auf derselben Seite ihrer piezoelektrischen Schichten Elektroden aufweisen, welche voneinander gesondert ausgebildet und miteinander elektrisch parallel geschaltet sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 7, aufweisend eine Mehrzahl der an den Wellenbergen bereitgestellten elektrisch parallel geschalteten Elektroden und eine Mehrzahl der in den Wellentälern bereitgestellten elektrisch parallel geschalteten Elektroden, wobei die an den Wellenbergen bereitgestellten und miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden elektrisch in Reihe mit den in den Wellentälern bereitgestellten und miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden geschaltet sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 8, wobei die Mehrzahl der Wellenberge, an welchen die Mehrzahl der miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden bereitgestellt ist, in der radialen Richtung der Membran aufeinanderfolgend angeordnet ist und wobei die Mehrzahl der Wellentäler, in welchen die Mehrzahl der miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden bereitgestellt ist, in der radialen Richtung der Membran aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei optional die an der Mehrzahl der Wellenberge bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden und die in der Mehrzahl der Wellentäler bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden, die miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind, in der Umfangsrichtung der Membran gegeneinander, optional überlappungsfrei, versetzt sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 9, wobei in der Umfangsrichtung zwischen den an der Mehrzahl der Wellenberge bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden und den in der Mehrzahl der Wellentäler bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden eine sich in der radialen Richtung erstreckende Verbindungselektrode bereitgestellt ist, über welche die an der Mehrzahl der Wellenberge bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden mit den in der Mehrzahl der Wellentäler bereitgestellten, parallel geschalteten Elektroden elektrisch in Reihe verbunden sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die zu der Mehrzahl der an den Wellenbergen bereitgestellten und miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden korrespondierenden piezoelektrischen Einheitszellen an einer von den parallel geschalteten Elektroden abgewandten Seite der jeweiligen piezoelektrischen Schichten eine gemeinsame erste Referenzelektrode aufweisen und wobei die zu der Mehrzahl der in den Wellentälern bereitgestellten und miteinander elektrisch parallel geschalteten Elektroden korrespondierenden piezoelektrischen Einheitszellen an einer von den parallel geschalteten Elektroden abgewandten Seite der jeweiligen piezoelektrischen Schichten eine gemeinsame zweite Referenzelektrode aufweisen, wobei die erste Referenzelektrode und die zweite Referenzelektrode gesondert voneinander ausgebildet und in der Umfangsrichtung der Membran gegeneinander, optional überlappungsfrei, versetzt angeordnet sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die piezoelektrischen Schichten einer Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen einstückig miteinander ausgebildet sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die piezoelektrischen Schichten einer Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen getrennt voneinander ausgebildet sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der gewellte Abschnitt einen von den piezoelektrischen Einheitszellen verschiedenen gewellten Träger aufweist, wobei der Träger optional aus einem nicht-piezoelektrischen Material gebildet ist.
Mikroelektromechanischer Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei wenigstens ein Wellenberg und wenigstens ein Wellental eine im Wesentlichen kreisförmige oder kreissegmentförmige Gestalt aufweisen und optional konzentrisch sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 15, aufweisend eine Mehrzahl von Wellenbergen und eine Mehrzahl von Wellentälern, welche in der radialen Richtung der Membran alternierend aufeinanderfolgend bereitgestellt sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 15 und 16, wobei die Mehrzahl von Wellentälern oder/und die Mehrzahl von Wellenbergen eine im Wesentlichen kreisförmige oder kreissegmentförmige Gestalt aufweisen und optional konzentrisch sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach Anspruch 2 und nach einem der Ansprüche 3 bis 17, aufweisend eine Mehrzahl von Wellenbergen und eine Mehrzahl von Wellentälern, welche jeweils eine im Wesentlichen radiale Haupterstreckung aufweisen und in der Umfangsrichtung der Membran alternierend aufeinanderfolgend bereitgestellt sind.
Mikroelektromechanischer Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Membran als geschlossenes Bauteil ausgebildet ist, welches frei von Fluiddurchgangsöffnungen ist.
Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen Transducers nach einem der Ansprüche 1 bis 19, aufweisend: Bilden einer Negativform für die Membran, welche eine zu einer Seite der Membran komplementäre Seite mit wenigstens einem Wellenberg und wenigstens einem Wellental aufweist, Bilden der Membran auf der Seite der Negativform, welche wenigstens einen Wellenberg und wenigstens ein Wellental aufweist, und Bilden einer piezoelektrischen Einheitszelle an wenigstens einem Wellenberg der Membran und einer piezoelektrischen Einheitszelle in wenigstens einem Wellental der Membran.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bilden der Negativform aufweist: Bilden des wenigstens einen Wellentals der Negativform und des wenigstens einen Wellenbergs der Negativform in einem Substrat, optional: Abscheiden einer Opfermaterialschicht auf ein Substrat und Bilden des wenigstens einen Wellentals der Negativform und des wenigstens einen Wellenbergs der Negativform in der Opfermaterialschicht oder in der Opfermaterialschicht und dem Substrat.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Bilden des wenigstens einen Wellentals der Negativform und des wenigstens einen Wellenbergs der Negativform ein Bilden wenigstens einer Ausnehmung in dem Substrat oder/und der Opfermaterialschicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das Bilden der Membran aufweist: Abscheiden einer Schicht aus einem piezoelektrischen oder/und einem nicht-piezoelektrischen Material auf die Negativform.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das Bilden der piezoelektrischen Einheitszellen aufweist: Abscheiden einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material auf den wenigstens einen Wellenberg der Negativform oder der Membran und Abscheiden einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material in das wenigstens eine Wellental der Negativform oder der Membran, wobei die piezoelektrischen Schichten einer Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen einstückig miteinander oder gesondert voneinander gebildet werden, wobei optional das Bilden der piezoelektrischen Einheitszellen ferner aufweist: Abscheiden einer elektrisch leitfähigen Schicht auf den wenigstens einen Wellenberg der Negativform oder der Membran und Abscheiden einer elektrisch leitfähigen Schicht in das wenigstens eine Wellental der Negativform oder der Membran, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten einer Mehrzahl von piezoelektrischen Einheitszellen einstückig miteinander oder gesondert voneinander gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, ferner aufweisend: Entfernen eines Teils der Negativform zum Bilden eines die Membran tragenden Halters.