DE102017200111B3

DE102017200111B3 - Mikromechanische Schallwandleranordnung und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102017200111B3
Application number: DE102017200111.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Buck; Kerrin DOESSEL; Fabian Purkl; Daniel PANTEL; Thomas Northemann; Ahmad Mansour
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2037-01-06
Also published as: US10547951B2; CN108282730B; US20180192204A1; CN108282730A

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Schallwandleranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die mikromechanische Schallwandleranordnung ist versehen einem Substrat (S) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R) und einer Kaverne (K) mit einem Kavernenrandbereich (KR), mindestens einem an der Vorderseite (V) elastisch aufgehängten piezoelektrischen Schwingungsbalken (Z1–Z6), welche sich über die Kaverne (K) erstrecken, und einer Auslenkungsbegrenzungseinrichtung (E1–E3), welche an einem Stirnrandbereich (ST1–ST6) jedes der Schwingungsbalken (Z1–Z6) vorgesehen und derart gestaltet ist, dass sie den jeweiligen Stirnrandbereich (ST1–ST6) mit dem Kavernenrandbereich (KR) oder einem gegenüberliegenden Stirnrandbereich (ST1–ST6) eines weiteren Schwingungsbalkens (Z1–Z6) in Wechselwirkung bringt, um eine Auslenkung des jeweiligen Schwingungsbalkens (Z1–Z6) auf eine Grenzauslenkung zu begrenzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Schallwandleranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 3, wie aus der US 2012/0276899 A1 bekannt.
Stand der Technik
Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Schallwandleranordnungen, beispielsweise Lautsprecher und Mikrofone, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Mikrofonanordnungen auf Siliziumbasis erläutert.
Mikromechanische Mikrofonanordnungen weisen üblicherweise eine auf einem MEMS-Chip integrierte Schallwandlungseinrichtung zum Wandeln von Schallenergie in elektrische Energie auf, wobei eine durch Schallenergie auslenkbare erste Elektrode und eine feststehende perforierte zweite Elektrode (Backplate) kapazitiv zusammenwirken. Die Auslenkung der ersten Elektrode wird durch die Differenz der Schalldrücke vor und hinter der ersten Elektrode bestimmt. Ändert sich die Auslenkung, wird die Kapazität des durch die erste und zweite Elektrode gebildeten Kondensators verändert, was messtechnisch erfassbar ist. Eine derartige mikromechanische Mikrofonanordnung ist aus der US 2002/0067663 A1 bekannt.
Durch die feststehende perforierte zweite Elektrode (Backplate) ist die Bewegung der Membran begrenzt und daher der dynamische Bereich der Mikrofonanordnung begrenzt, und zudem wird zusätzliches Rauschen durch den Luftströmungswiderstand erzeugt.
Piezoelektrische Mikrofonanordnungen mit Schwingungsbalken sind aus der US 2014/0339657 A1 bekannt. Dies ermöglicht einen größeren dynamischen Bereich und eine Verhinderung zusätzlichen Rauschens, was die Gesamtqualität erhöht. Das grundlegende Prinzip der piezoelektrischen Mikrofonanordnungen ist die Verwendung eines piezoelektrischen Materials, beispielsweise von AIN oder PZT oder eines anderen geeigneten piezoelektrischen Materials, welches bei Deformation Ladungen produziert und demzufolge eine Spannung messtechnisch erfassbar macht.
Bei sehr hohen Schalldruckpegeln oder externen Erschütterungen verbiegen sich die Schwingungsbalken von piezoelektrischen Mikrofonanordnungen sehr stark. Im schlimmsten Fall kann das zu einer irreparablen Beschädigung der Schwingungsbalken führen.
Aus der US 2013/0088123 A1 ist eine piezoelektrische Anordnung bekannt, bei der die Schwingungsbalken durch einen oberen und einen unteren Anschlag auf eine obere bzw. untere Grenzauslenkung begrenzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Schallwandleranordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 3.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt in der Bildung einer Auslenkungsbegrenzungseinrichtung, welche die Stirnrandbereiche gegenüberliegender Schwingungsbalken in Wechselwirkung bringt, um eine Auslenkung des jeweiligen Schwingungsbalkens auf eine Grenzauslenkung zu begrenzen.
So lassen sich insbesondere Paare von gegenüberliegenden Schwingungsbalken ohne Anschläge realisieren, was die Fertigungskomplexität erniedrigt. Insbesondere ist nur eine einfache Zusatzstruktur erforderlich, welche die Auslenkung auf eine obere und eine untere Grenzauslenkung begrenzt.
Erfindungsgemäß sind ein oder mehrere Paare von gegenüberliegenden Schwingungsbalken vorgesehen, wobei die Auslenkungsbegrenzungseinrichtung eine jeweilige hakenartige oder kammartige Anformung an gegenüberliegenden Stirnrandbereichen ist, die jeweilige gegenüberliegende Stirnrandbereiche in der Grenzauslenkung in Anschlag bringt und dadurch in die Wechselwirkung bringt. Dadurch ergibt sich erst bei Erreichen der Grenzauslenkung eine Wechselwirkung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung liegen die hakenartigen oder kammartigen Anformungen im unausgelenkten Zustand der Schwingungsbalken in einer Ebene der Schwingungsbalken. So erfordert die Auslenkungsbegrenzungseinrichtung keinen zusätzlichen Platz in vertikaler Richtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1a)–d) schematische Darstellungen einer beispielhaften mikromechanischen Schallwandleranordnung und zwar 1a) in Draufsicht und 1b)–d) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1a) in verschiedenen Auslenkungszuständen;
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften mikromechanischen Schallwandleranordnung in Draufsicht;
3a)–c) schematische Teilquerschnittsdarstellungen einer Modifikation der elastischen Bandeinrichtung in verschiedenen Auslenkungszuständen; und
4a)–c) schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 4a) in Draufsicht und 4b)–c) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie B-B' in 4a) in verschiedenen Auslenkungszuständen.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)–d) sind schematische Darstellungen einer beispielhaften mikromechanischen Schallwandleranordnung und zwar 1a) in Draufsicht und 1b)–d) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie A-A' in 1a) in verschiedenen Auslenkungszuständen.
In 1a)–d) bezeichnet Bezugszeichen S ein Substrat mit einer Vorderseite V und einer Rückseite R und einer Kaverne K mit einem Kavernenrandbereich KR.
An der Vorderseite V des Substrats S elastisch aufgehängt sind ein erster bis sechster piezoelektrischer Schwingungsbalken Z1–Z6, welche sich über die Kaverne K erstrecken. Die Schwingungsbalken Z1–Z6 sind paarweise gegenüberliegend angeordnet, wobei die Paare durch die Schwingungsbalken Z1 und Z2, Z3 und Z4 und Z5 und Z6 gebildet werden. Zum Kavernenrand KR hin und an den jeweiligen Stirnrandbereichen ST1–ST6 ist ein Spalt SP vorgesehen, welcher für die elastische Auslenkbarkeit der Schwingungsbalken Z1–Z6 sorgt.
Zwischen den Stirnrandbereichen gegenüberliegender Paare ST1 und ST2, ST3 und ST4, ST5 und ST6 ist eine Auslenkungsbegrenzungseinrichtung E1–E3 vorgesehen, welche derart gestaltet ist, dass sie die gegenüberliegenden Stirnrandbereiche ST1 und ST2, ST3 und ST4, ST5 und ST6 in Wechselwirkung bringt, um eine Auslenkung der Paare von Schwingungsbalken Z1 und Z2, Z3 und Z4, Z5 und Z6 auf eine obere und untere Grenzauslenkung h1 zu begrenzen. Die obere und untere Grenzauslenkung h1 können, aber müssen nicht, symmetrisch sein und müssen nur derart angesteuert werden, dass das gewünschte akustische Spektrum der Schallwandleranordnung erzielbar ist.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Auslenkungsbegrenzungseinrichtung E1–E3 eine jeweilige elastische Bandeinrichtung, welche beispielsweise durch einen Abscheide- und Strukturierungsprozess hergestellt wird und die gegenüberliegenden Stirnrandbereiche ST1 und ST2, ST3 und ST4, ST5 und ST6 mechanisch verbindet und dadurch in die Wechselwirkung bringt.
Die elastischen Bandeinrichtungen E1–E3 werden vorzugsweise mit Polymeren realisiert.
1b) zeigt die nicht ausgelenkte Position der Schwingungsbalken Z5, Z6 des Schallwandlers.
1c) zeigt die obere Grenzauslenkung der Schwingungsbalken Z5, Z6 des Schallwandlers in einer Position, wo die elastische Bandeinrichtung E1–E3 noch nicht oder nur kaum das Auslenkungsverhalten beeinflusst. Die elastische Bandeinrichtung E1-E3 streckt sich kontinuierlich und erzeugt vorzugsweise keine zusätzliche Rückstellkraft. Die obere Grenzauslenkung h1 definiert den Betriebsbereich der Schallwandleranordnung, beispielsweise einer Mikrofonanordnung. Somit sollte der maximale Schalldruckpegel, der zu erfassen ist, innerhalb dieses Betriebsbereichs liegen.
1d) zeigt den Fall, in dem ein übermäßig hoher Schalldruck oder eine externe Erschütterung anliegt. Eine weitere Auslenkung der Schwingungsbalken Z5, Z6 über die obere Grenzauslenkung h1 wird mithilfe der elastischen Bandeinrichtungen E1–E3 vermieden. Bei einer bestimmten Spannung der elastischen Bandeinrichtungen E1–E3 tritt eine Rückstellkraft auf, welche eine weitere Auslenkung verhindert. Dies ist in 1d) durch Wendepunkte in der Krümmung der Schwingungsbalken Z5, Z6 erkennbar.
2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften mikromechanischen Schallwandleranordnung in Draufsicht.
Bei dem Beispiel gemäß 2 sind ein erster bis vierter Schwingungsbalken Z1'–Z4' an der Vorderseite V aufgehängt, welche sich über die Kaverne K erstrecken und welche jeweilige Stirnrandbereiche ST1'–ST4' aufweisen. Die Schwingungsbalken Z1'–Z4' sind wiederum durch einen Spalt SP vom Kavernenrand KR und von benachbarten Schwingungsbalken beabstandet, um die elastische Auslenkbarkeit zu gewährleisten.
Bei diesem Beipiel ist eine jeweilige elastische Bandeinrichtung E1'–E4' zwischen einem jeweiligen Stirnrandbereich ST1'–ST4' und dem Kavernenrandbereich KR vorgesehen, um die Auslenkung der jeweiligen Schwingungsbalken Z1'–Z4' auf eine Grenzauslenkung zu begrenzen.
Die Auslenkungsbegrenzungseinrichtung in Form der elastischen Bandeinrichtung bei der zweiten Ausführungsform ist analog ausgebildet ersten Beispiel.
Die Funktion ist ebenfalls analog, wie mit Bezug auf 1b)–1d) bereits beschrieben.
3a)–c) sind schematische Teilquerschnittsdarstellungen einer Modifikation der elastischen Bandeinrichtung in verschiedenen Auslenkungszuständen.
3a)–3c) zeigen eine mögliche Ausgestaltung der Auslenkungsbegrenzungseinrichtung E, welche sich bei der ersten und zweiten Ausführungsform verwenden lässt. Die elastische Bandeinrichtung E ist hier als nicht-lineare ondulierte Federeinrichtung ausgebildet. 3a) zeigt den nicht ausgelenkten Zustand, 3b) zeigt den ausgelenkten Zustand bis zur Grenzauslenkung, und 3c) zeigt den Fall, in dem eine unerwünschte Erschütterung oder ein übermäßiger Schalldruckpegel vorliegt. Im letzteren Fall ist eine weitere Auslenkung durch das nicht-lineare Verhalten verhindert, wobei die Gestaltung vorzugsweise derart ist, dass die Rückstellkraft der Federeinrichtung möglichst plötzlich auftritt.
4a)–c) sind schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 4a) in Draufsicht und 4b)–c) in einem vertikalen Querschnitt entlang der Linie B-B in 4a) in verschiedenen Auslenkungszuständen.
Bei der dritten Ausführungsform sind zwei Schwingungsbalken Z1'', Z2'' als Paar gegenüberliegend an der Vorderseite V elastisch aufgehängt, welche sich über die Kaverne K erstrecken. Bei dieser dritten Ausführungsform sind als Auslenkungsbegrenzungseinrichtung H1, H2 eine jeweilige hakenartige Anformung H1, H2 an gegenüberliegenden Stirnrandbereichen ST1'', ST2'' angeordnet, die die gegenüberliegenden Stirnrandbereiche ST1'', ST2'' in der Grenzauslenkung h1' in Anschlag bringt und dadurch in die Wechselwirkung bringt.
Die hakenartigen Anformungen H1, H2 liegen im unausgelenkten Zustand der Schwingungsbalken Z1'', Z2'' in einer Ebene der Schwingungsbalken Z1'', Z2'', wie aus 4b) erkennbar, und sind ineinander eingreifend angeordnet.
Erst in der oberen bzw. unteren Grenzauslenkung, wie in 4c) gezeigt, verhaken sich die gegenüberliegenden Anformungen H1, H2 und begrenzen somit abrupt die obere bzw. untere Grenzauslenkung H1'.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die hakenartigen Anformungen H1, H2 im selben Herstellungsprozess wie die Schwingungsbalken Z1'', Z2'' und aus denselben Materialien hergestellt werden können, beispielsweise Silizium oder polykristallines Silizium oder piezoelektrische Materialien, wie z. B. AIN oder PZT oder Metalle, welche typischerweise als Elektroden (Mo, Pt, W) verwendet werden. Somit gestaltet sich die dritte Ausführungsform noch einfacher in ihrer Herstellung im Vergleich zum oben erläuterten ersten und zweiten Beispiel.
Auch gibt es bei der dritten Ausführungsform überhaupt keine Wechselwirkung zwischen den beiden Schwingungsbalken Z1'', Z2'' bis zum Erreichen der oberen bzw. unteren Grenzauslenkung H1'.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Insbesondere sind auch die angeführten Geometrien und Materialien nur beispielhaft und können je nach Anwendung beliebig variiert werden.
Obwohl in einer oben beschriebenen Ausführungsform ineinander eingreifende hakenartige Anformungen als Auslenkungsbegrenzungseinrichtung beschrieben wurden, sind auch kammartige Anformungen verwendbar.

Claims

Mikromechanische Schallwandleranordnung mit: einem Substrat (S) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R) und einer Kaverne (K) mit einem Kavernenrandbereich (KR); mindestens einem an der Vorderseite (V) elastisch aufgehängten piezoelektrischen Schwingungsbalken (Z1'', Z2''), welcher sich über die Kaverne (K) erstrecken; und einer Auslenkungsbegrenzungseinrichtung (H1, H2), welche an einem Stirnrandbereich (ST1'', ST2'') jedes der Schwingungsbalken (Z1'', Z2'') vorgesehen und derart gestaltet ist, dass sie den jeweiligen Stirnrandbereich (ST1'', ST2'') mit einem gegenüberliegenden Stirnrandbereich (ST1'', ST2'') eines weiteren Schwingungsbalkens (Z1'', Z2'') in Wechselwirkung bringt, um eine Auslenkung des jeweiligen Schwingungsbalkens (Z1'', Z2'') auf eine Grenzauslenkung zu begrenzen; dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Paare von gegenüberliegenden Schwingungsbalken (Z1'', Z2'') vorgesehen sind, und wobei die Auslenkungsbegrenzungseinrichtung (H1, H2) eine jeweilige hakenartige oder kammartige Anformung (H1, H2) an gegenüberliegenden Stirnrandbereichen (ST1'', ST2'') ist, die jeweilige gegenüberliegende Stirnrandbereiche (ST1'', ST2'') in der Grenzauslenkung in Anschlag bringt und dadurch in die Wechselwirkung bringt.
Mikromechanische Schallwandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die hakenartigen oder kammartigen Anformungen (H1, H2) im unausgelenkten Zustand der Schwingungsbalken (Z1'', Z2'') in einer Ebene der Schwingungsbalken (Z1'', Z2'') liegen.
Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Schallwandleranordnung mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (S) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R) und einer Kaverne (K) mit einem Kavernenrandbereich (KR); Ausbilden von mindestens einem an der Vorderseite (V) elastisch aufgehängten piezoelektrischen Schwingungsbalken (Z1'', Z2''), welche sich über die Kaverne (K) erstrecken, und Ausbilden von einer Auslenkungsbegrenzungseinrichtung (H1, H2), welche an einem Stirnrandbereich (ST1'', ST2'') jedes der Schwingungsbalken (Z1'', Z2'') vorgesehen und derart gestaltet ist, dass sie den jeweiligen Stirnrandbereich (ST1'', ST2'') mit einem gegenüberliegenden Stirnrandbereich (ST1'', ST2'') eines weiteren Schwingungsbalkens (Z1'', Z2'') in Wechselwirkung bringt, um eine Auslenkung des jeweiligen Schwingungsbalkens (Z1'', Z2'') auf eine Grenzauslenkung zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Paare von gegenüberliegenden Schwingungsbalken (Z1'', Z2'') vorgesehen werden, und wobei die Auslenkungsbegrenzungseinrichtung (H1, H2) eine jeweilige hakenartige oder kammartige Anformung (H1, H2) an gegenüberliegenden Stirnrandbereichen (ST1'', ST2'') ist, die jeweilige gegenüberliegende Stirnrandbereiche (ST1'', ST2'') in der Grenzauslenkung in Anschlag bringt und dadurch in die Wechselwirkung bringt.