Titel

Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein

mikromechanisches Bauteil

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die

Erfindung ein Mikrofon, eine Sensorvorrichtung und einen Energie-Harvester. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein

mikromechanisches Bauteil.

Stand der Technik

In der US 2014/0339657 AI ist ein piezoelektrisches Mikrofon beschrieben, welches eine Vielzahl von Biegebalken umfasst. Jeder der Biegebalken besteht aus einer an einem Substrat verankerten ersten Elektrode aus Molybdän, einer die erste Elektrode teilweise abdeckenden ersten piezoelektrischen Schicht aus Aluminiumnitrid, einer die erste piezoelektrische Schicht abdeckenden zweiten Elektrode aus Molybdän, einer die zweite Elektrode abdeckenden zweiten piezoelektrischen Schicht aus Aluminiumnitrid und einer die zweite

piezoelektrische Schicht abdeckenden dritten Elektrode aus Molybdän.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Mikrofon mit den Merkmalen des Anspruchs 7, eine

Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, einen Energie-Harvester mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Vorteile der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, welche jeweils mindestens einen Schichtstapel mit zumindest der ersten Außenelektrode, der ersten piezoelektrischen Schicht mit der ersten Polarisationskomponente, der Zwischenelektrode, der zweiten piezoelektrischen Schicht mit der zweiten

Polarisationskomponente und der zweiten Außenelektrode haben. Jeder dieser Schichtstapel kann zum Nachweisen und/oder Ermitteln einer Kraft- und/oder einer Druckeinwirkung in einer senkrecht zu dem Schichtstapel ausgerichteten Richtung verwendet werden, wobei aufgrund der entgegen gerichteten

Polarisationskomponenten der zwei piezoelektrischen Schichten ein gegenüber dem Stand der Technik gesteigertes Spannungssignal an den beiden

Außenelektroden abgreifbar ist. Die vorliegende Erfindung trägt somit zur Steigerung einer Sensitivität von gattungsgemäßen piezoelektrischen Nachweis- und/oder Messvorrichtungen, wie beispielsweise herkömmlichen

piezoelektrischen Mikrofonen, bei. Aufgrund ihrer gesteigerten Sensitivitäten können die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile zum genaueren Ermitteln und/oder Nachweisen eines Drucks oder einer Kraft eingesetzt werden. Außerdem eignen sich die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile aufgrund ihrer gesteigerten Sensitivitäten als Mikrofone besser als herkömmliche piezoelektrische Mikrofone. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile aufgrund ihrer gesteigerten Sensitivitäten mit kostengünstigeren und/oder weniger Bauraum benötigenden Auswerteeinrichtungen zusammenwirken können. Die jeweilige Polarisationskomponente der piezoelektrischen Schichten basieren auf einer (dielektrischen) Polarisation der jeweiligen piezoelektrischen Schicht: Mikroskopisch ist die Polarisation durch die relative Orientierung der Atome im Gitter der piezoelektrischen Schicht gegeben. Natürlich können in jeder der piezoelektrischen Schichten auch unterschiedliche

Polarisationen auftreten. Man spricht von einer (makroskopischen) Polarisation, wenn der überwiegende Teil der jeweiligen piezoelektrischen Schicht in eine Vorzugsrichtung polarisiert ist. Wichtig ist für die Nutzung der vorliegenden Erfindung nur der Teil der Polarisation/Vorzugspolarisation, der senkrecht zur Oberfläche zeigt. Deshalb wird hier der Begriff„Polarisationskomponente" verwendet. Makroskopisch entsteht bei piezoelektrischen Schichten mit entgegen gesetzten Polarisationskomponenten aufgrund ihrer unterschiedlichen Polarisation bei gleicher Verbiegung/Verspannung eine senkrecht zu ihren Oberflächen ausgerichtete elektrische Spannung unterschiedlicher Polarität.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils bildet ein zumindest die erste Außenelektrode, die erste piezoelektrische Schicht, die Zwischenelektrode, die zweite piezoelektrische Schicht und die zweite

Außenelektrode umfassender Schichtstapel eine Membran, welche eine Kaverne oder eine Aussparung zumindest teilweise abdeckt. Diese Ausführungsform der

Erfindung kann somit für membranbestückte Sensorvorrichtungen (z.B. Druckoder Kraft-Sensorvorrichtungen) und membranbestückte Mikrofone eingesetzt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass bei dieser Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils im Gegensatz zu kapazitiven membranbestückten Halbleiterbauteilen keine Gegenelektrode benötigt wird, um eine Druck- und/oder

Krafteinwirkung auf die Membran in einer Richtung senkrecht dazu oder eine Verwölbung der Membran festzustellen.

In einer alternativen Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils bildet ein zumindest die erste Außenelektrode, die erste piezoelektrische Schicht, die

Zwischenelektrode, die zweite piezoelektrische Schicht und die zweite

Außenelektrode umfassender Schichtstapel eine Biegebalkenstruktur.

Insbesondere kann das mikromechanische Bauteil mehrere

Biegebalkenstrukturen, speziell eine Vielzahl von Biegebalkenstrukturen, aufweisen, wobei jede der Biegebalkenstrukturen einen derartigen Schichtstapel umfasst. Auch die hier beschriebene Ausführungsform des mikromechanischen

Bauteils ist somit vielseitig einsetzbar.

Vorzugsweise umfasst das mikromechanische Bauteil eine Serienschaltung mit der mittels mindestens einer ersten Leitung und/oder mindestens eines ersten

Kontakts kontaktierten ersten Außenelektrode, der unabgegriffenen

Zwischenelektrode und der mittels mindestens einer zweiten Leitung und/oder mindestens eines zweiten Kontakts kontaktierten zweiten Außenelektrode. Trotz des einfachen Aufbaus der Serienschaltung, welche kostengünstig und mit einem vergleichsweise geringen Arbeitsaufwand herstellbar ist, sind gegenüber dem Stand der Technik gesteigerte Spannungssignale an den Außenelektroden abgreifbar. Bei einem Einsetzen dieser Ausführungsform des

mikromechanischen Bauteils zum Ermitteln und/oder Nachweisen von Kraft, Druck oder Schall können deshalb verlässliche Werte mit einer relativ geringen Fehlerrate und einer vergleichsweise hohen Auswertegenauigkeit bestimmt werden.

Beispielsweise kann die erste Außenelektrode ein Substrat oder mindestens eine das Substrat teilweise abdeckende Schicht kontaktieren. In diesem Fall können die piezoelektrische Schicht, die Zwischenelektrode, die zweite piezoelektrische

Schicht und die zweite Außenelektrode auf einfache Weise und mit einem vergleichsweise geringen Arbeitsaufwand über der ersten Außenelektrode abgeschieden werden. Bevorzugter Weise sind in dem vorausgehend beschriebenen Fall die erste

Außenelektrode und die Zwischenelektrode aus unterschiedlichen Materialien gebildet, wobei die erste piezoelektrische Schicht direkt die Oberfläche der ersten Außenelektrode und die zweite piezoelektrische Schicht direkt die von der ersten piezoelektrischen Schicht weg gerichtete Oberfläche der

Zwischenelektrode kontaktieren. Durch die Verwendung unterschiedlicher

Materialien für die erste Außenelektrode und die Zwischenelektrode kann sichergestellt werden, dass die in einem direkten Kontakt mit der ersten

Außenelektrode gebildete erste piezoelektrische Schicht die gewünschte erste Polarisationskomponente aufweist, welche entgegengerichtet zu der zweiten Polarisationskomponente der in einem direkten Kontakt mit der

Zwischenelektrode gebildeten zweiten piezoelektrischen Schicht ausgerichtet ist. Somit sind keine schwierigen oder arbeitsaufwändigen Prozesse zum

Gewährleisten der entgegen gerichteten Polarisationskomponenten der zwei piezoelektrischen Schichten notwendig.

Beispielsweise können die erste Außenelektrode und die Zwischenelektrode aus mindestens einem der Materialien Platin, Aluminium, Silizium, Titan, Wolfram und Molybdän gebildet sein, wobei die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht Aluminiumnitrid umfassen. (Das Aluminiumnitrid kann auch dotiert sein, z.B. mit Scandium, insbesondere zu AlojSco.sN.) Die hier aufgezählten Materialien führen bei geeigneter Wahl der unterschiedlichen Materialien für die erste Außenelektrode und die Zwischenelektrode (wie beispielsweise Platin für die erste Außenelektrode und Aluminium für die Zwischenelektrode) und direkten Kontakten zwischen der ersten

piezoelektrischen Schicht und der ersten Außenelektrode, sowie der zweiten piezoelektrischen Schicht und der Zwischenelektrode, automatisch zu der vorteilhaften entgegen gerichteten Ausrichtung der Polarisationskomponenten der zwei piezoelektrischen Schichten. Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Mikrofon, einer

Sensorvorrichtung oder einem Energie-Harvester mit jeweils einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet.

Des Weiteren schafft auch ein Ausführen des korrespondierenden

Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil die oben

beschriebenen Vorteile. Es wird darauf hingewiesen, dass das

Herstellungsverfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden beim

Bilden der ersten piezoelektrischen Schicht zumindest in einer ersten

Anfangsphase andere Wachstumsparameter als zumindest in einer zweiten Anfangsphase beim Bilden der zweiten piezoelektrischen Schicht eingehalten. Auf diese Weise kann verlässlich sichergestellt werden, dass die zweite

Polarisationskomponente der zweiten piezoelektrischen Schicht

entgegengerichtet zu der ersten Polarisationskomponente der ersten

piezoelektrischen Schicht ausgerichtet wird.

Insbesondere können die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht aus Aluminium und Stickstoff derart gebildet werden, dass zumindest eine erste Startschicht der ersten piezoelektrischen Schicht mit einem ersten Aluminium-Stickstoff-Verhältnis gebildet wird, welches von einem zweiten Aluminium-Stickstoff-Verhältnis zumindest einer zweiten Startschicht der zweiten piezoelektrischen Schicht abweicht. Auch mittels einer Variation des Aluminium-Stickstoff- Verhältnisses in der gesamten ersten/zweiten piezoelektrischen Schicht können die Polarisationskomponenten der zwei piezoelektrischen Schichten entgegengerichtet ausgerichtet werden.

Alternativ kann zumindest die erste piezoelektrische Schicht oder die zweite piezoelektrische Schicht als ferroelektrische Schicht gebildet werden, wobei bei oder nach dem Bilden der mindestens einen ferroelektrischen Schicht deren spätere Polarisationskomponente mittels eines angelegten elektrischen Felds festgelegt wird. Auch mittels dieser Ausführungsform des Herstellungsverfahrens kann die zweite Polarisationskomponente der zweiten piezoelektrischen Schicht auf einfache Weise und verlässlich entgegengerichtet zu der ersten

Polarisationskomponente der ersten piezoelektrischen Schicht ausgerichtet werden. Die mindestens eine ferroelektrische Schicht kann (zumindest teilweise) aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Kalium-Natrium-Niobat (KNN),

Magnesiumniobbleititanat (PMN-PT), Bismuth-Sodium-Titanat (BNT) und/oder Bismuth-Eisenoxid (BFO) gebildet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten

Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten

Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und

Fig. 3 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. Das in Fig. 1 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist eine erste Außenelektrode 10, eine zweite Außenelektrode 12 und eine zwischen der ersten Außenelektrode 10 und der zweiten Außenelektrode 12 angeordnete Zwischenelektrode 14 auf. Jede der Elektroden 10 bis 14 kann aus mindestens einem Metall und/oder mindestens einem (evtl. dotierten) Halbleitermaterial gebildet sein. Vorteilhafte Materialien für die Elektroden 10 bis 14 werden unten noch beschrieben. Vorzugsweise sind die Elektroden 10 bis 14 schichtförmig oder plattenförmig ausgebildet, indem mindestens eine Höhe h der Elektroden 10 bis 14 deutlich kleiner als mindestens eine Ausdehnung a der jeweiligen Elektrode 10 bis 14 senkrecht zu ihrer Höhe h ist. In Fig. 1 sind die Elektroden 10 bis 14 mit der gleichen Höhe h und der selben Ausdehnung a dargestellt. Die Elektroden 10 bis 14 können jedoch auch unterschiedliche Höhen h und/oder verschiedene

Ausdehnungen a haben. Insbesondere können die Elektroden 10 bis 14 lokal vergleichsweise schmale Unterbrechungen (z.B. mit einer lateralen Ausdehnung kleiner als 2 μηη) aufweisen, die eine elektrische Isolation von verschiedenen Teilbereichen der jeweiligen Elektrode 10 bis 14 ermöglichen.

Das mikromechanische Bauteil weist auch eine erste piezoelektrische Schicht 16 auf, mit welcher ein erstes Zwischenvolumen zwischen einer Oberfläche der ersten Außenelektrode 10 und der Zwischenelektrode 14 zumindest teilweise gefüllt ist. In der Ausführungsform der Fig. 1 füllt die erste piezoelektrische Schicht 16 das gesamte erste Zwischenvolumen zwischen der ersten

Außenelektrode 10 und der Zwischenelektrode 14 aus. Optionaler Weise kann jedoch auch noch mindestens eine weitere Zwischenschicht zwischen der ersten Außenelektrode 10 und der Zwischenelektrode 14 liegen. Ein zweites Zwischenvolumen zwischen einer von der ersten piezoelektrischen

Schicht 16 weg gerichteten Oberfläche der Zwischenelektrode 14 und der zweiten Außenelektrode 12 ist zumindest teilweise mit einer zweiten

piezoelektrischen Schicht 18 gefüllt. Die bildliche Wiedergabe eines vollständigen Ausfüllens des zweiten Zwischenvolumens zwischen der Zwischenelektrode 14 und der zweiten Außenelektrode 12 mit der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 in Fig. 1 ist nur beispielhaft zu interpretieren. Auch zwischen der

Zwischenelektrode 14 und der zweiten Außenelektrode 12 kann zusätzlich zu der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 noch eine weitere Schicht liegen.

Jede der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 umfasst mindestens ein piezoelektrisches Material, welches, wenn eine mechanische Kraft oder ein mechanischer Stress auf das piezoelektrische Material ausgeübt wird, eine Ladung/Spannung an seinen entgegen gerichteten Oberflächen aufweist.

Beispiele für das mindestens eine piezoelektrische Material sind insbesondere Aluminiumnitrid (AIN), Zinkoxid (ZnO) und Blei-Zirkonium-Titanat (PZT). (Unter einer Aluminiumnitridschicht kann im Weiteren auch eine dotierte

Aluminiumnitridschicht, z.B. eine mit Scandium dotierte Aluminiumnitridschicht, insbesondere eine AlojSco.sN-Schicht, verstanden werden.) Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 nicht auf die Verwendung der hier beschriebenen Materialien limitiert ist.

Mindestens eine Schichtdicke d der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 ist vorzugsweise größer als die mindestens eine Höhe h der Elektroden 10 bis 14. Außerdem kann auch mindestens eine Ausdehnung A der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 senkrecht zu ihrer Schichtdicke d größer als die mindestens eine Ausdehnung a der jeweiligen Elektrode 10 bis 14 sein. Die Ausbildung der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 in Fig. 1 mit der gleichen Schichtdicke d und der selben Ausdehnung A ist nur beispielhaft zu interpretieren. Die piezoelektrische Schichten 16 und 18 können auch unterschiedliche

Schichtdicken d und/oder verschiedene Ausdehnungen A haben. Insbesondere kann eine Ausdehnung der zweiten Außenelektrode 12 kleiner als eine

Ausdehnung der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 sein, während die

Ausdehnung der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 kleiner als eine

Ausdehnung der Zwischenelektrode 14 ist. Bevorzugt ist in diesem Fall die Ausdehnung der Zwischenelektrode 14 kleiner als eine Ausdehnung der ersten piezoelektrischen Schicht 16, wobei die Ausdehnung der ersten

piezoelektrischen Schicht 16 kleiner als eine Ausdehnung der ersten

Außenelektrode 10 ist. Ein aus den Komponenten 10 bis 18 gebildeter Schichtstapel ist so an einer Halterung fixiert, dass eine von der ersten Außenelektrode 10 zu der zweiten Außenelektrode 12 ausgerichtete und auf den Schichtstapel ausgeübte Kraft F eine Verformung des Schichtstapels bewirkt. Während die mittels der Kraft F bewirkte Verformung einen Dehnungs-Stresszustand 20 in der ersten

piezoelektrischen Schicht 16 auslöst, führt die Verformung zu einem Stauchungs- Stresszustand 22 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 18. Entsprechend bewirkt eine von der zweiten Außenelektrode 12 zu der ersten Außenelektrode 10 ausgerichtete und auf den Schichtstapel ausgeübte Gegenkraft einen

Stauchungs-Stresszustand 22 in der ersten piezoelektrischen Schicht 16 und einen Dehnungs-Stresszustand 20 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 18.

Die erste piezoelektrische Schicht 16 ist derart ausgebildet, dass ihre senkrecht zu der Oberfläche der Außenelektrode 10 ausgerichtete erste

Polarisationskomponente PI überwiegend in eine erste Richtung ausgerichtet ist.

Demgegenüber ist die zweite piezoelektrische Schicht 18 derart ausgebildet, dass ihre senkrecht zu der Oberfläche der Zwischenelektrode 14 ausgerichtete zweite Polarisationskomponente P2 überwiegend in eine der ersten Richtung entgegen gerichtete zweite Richtung ausgerichtet ist. Deshalb bewirkt die Kraft F eine erste Teilspannung Ul in der ersten piezoelektrischen Schicht 16 (d.h.

zwischen der ersten Außenelektrode 10 und der Zwischenelektrode 14) und eine gleich ausgerichtete zweite Teilspannung U2 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 (bzw. zwischen der Zwischenelektrode 14 und der zweiten

Außenelektrode 12). (Beispielhaft bewirkt in dem Beispiel der Fig. 1 der

Dehnungs-Stresszustand 20 in der ersten piezoelektrischen Schicht 16 positive

Ladungen an der ersten Außenelektrode 10 und negative Ladungen an der Zwischenelektrode 14, während der Stauchungs-Stresszustand 22 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 18 positive Ladungen an der Zwischenelektrode 14 und negative Ladungen an der zweiten Außenelektrode 12 auslöst.) Die Kraft F bewirkt somit gleich ausgerichtete Teilspannungen Ul und U2 innerhalb beider piezoelektrischer Schichten 16 und 18. Die gleichen Ausrichtungen der

Teilspannungen Ul und U2 bewirken eine Gesamtspannung Ut zwischen der ersten Außenelektrode 10 und der zweiten Außenelektrode 12 gleich einer Summe der Teilspannungen Ul und U2. Sofern die Teilspannungen Ul und U2 gleich sind, ist die Gesamtspannung Ut das Doppelte der ersten Teilspannung Ul oder der zweiten Teilspannung U2.

Bei„in die gleiche Richtung zeigenden Polarisationskomponenten" der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 würden sich die von den Stresszuständen

20 und 22 ausgelösten Teilspannungen \ U1\ und \ U2\ zumindest teilweise herausmitteln (da sie eine unterschiedliche elektrische Polarität aufweisen), so dass eine deutlich niedrigere Spannung (gleich einer Differenz der beiden Teilspannungen |U1| und |U2|) zwischen den Außenelektroden 10 und 12 anliegen würde. Die unterschiedlichen Polarisationskomponenten PI und P2 der zwei piezoelektrischen Schichten 16 und 18 führen deshalb zu einer gesteigerten Gesamtspannung Ut zwischen der ersten Außenelektrode 10 und der zweiten Außenelektrode 12 bei der Kraft F. Mittels der unterschiedlichen

Polarisationskomponenten PI und P2 der zwei piezoelektrischen Schichten 16 und 18 ist deshalb eine Sensitivität des aus den Komponenten 10 bis 18 gebildeten Schichtstapels gesteigert. Die Sensitivität ist auch im Vergleich zu dem mit einer Parallelschaltung ausgebildeten Stand der Technik, bei welchem die gleichen Polarisationskomponenten PI und P2 Spannungen Ul und U2 bewirken, erhöht. Diese gesteigerte Sensitivität kann zum genaueren und fehlerfreieren Ermitteln oder Nachweisen der Kraft F, bzw. eines entsprechenden mechanischen Drucks oder eines die Kraft F bewirkenden Schallsignals, genutzt werden. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass zum Auswerten der Gesamtspannung Ut (als Sensorsignal) auch eine vergleichsweise

kostengünstige und/oder wenig Bauraum benötigende Auswerteeinrichtung eingesetzt werden kann. Das mikromechanische Bauteil der Fig. 1 kann deshalb für eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen, wie beispielsweise Kraft-, Druck- und/oder Schallsensorvorrichtungen, verwendet werden. Vor allem eignet sich das mikromechanische Bauteil der Fig. 1 aufgrund seiner gesteigerten

Sensitivität gut für ein Mikrofon. Auch für einen Energie-Harvester kann das mikromechanische Bauteil der Fig. 1 gut eingesetzt werden.

Vorzugsweise weist das mikromechanische Bauteil eine Serienschaltung mit der mittels mindestens einer ersten (elektrischen) Leitung 24 und/oder mindestens eines (nicht skizzierten) ersten Kontakts kontaktierten ersten Außenelektrode 10, der unabgegriffenen Zwischenelektrode 14 und der mittels mindestens einer zweiten (elektrischen) Leitung 26 und/oder mindestens eines (nicht dargestellten) zweiten Kontakts kontaktierten zweiten Außenelektrode 12 auf. Die

unterschiedlichen Polarisationskomponenten PI und P2 der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 machen es möglich, diesen leicht und mit einem

vergleichsweise niedrigen Arbeitsaufwand ausbildbaren Schaltungstyp zum

Abgreifen der Gesamtspannung Ut (als Sensorsignal) zu verwenden. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass die Kraft F als Beispiel für eine mittels des Schichtstapels aus den Komponenten 10 bis 18 zu ermittelnde und/oder nachzuweisende Größe aufgrund der gesteigerten Sensitivität des Schichtstapels mit einer

vergleichsweise großen Genauigkeit und mit einer relativ niedrigen Fehlerrate messbar ist.

Eine Kapazität Ct eines aus den Außenelektroden 10 und 12 gebildeten

Kondensators ergibt sich bei einer Reihenschaltung aus einer ersten Kapazität Cl eines aus den Elektroden 10 und 14 gebildeten ersten Teilkondensators oder einer zweiten Kapazität C2 eines aus den Elektroden 12 und 14 gebildeten zweiten Teilkondensators gemäß der Gleichung:

1 _ 1 1

Ct ^~ Cl ⁺ C2

(Die Zwischenelektrode 14 bildet dabei den unabgegriffenen Zwischenknoten zwischen dem ersten Teilkondensator und dem zweiten Teilkondensator.) Sofern die Kapazitäten Cl und C2 gleich sind, ist die Kapazität Ct die Hälfte der ersten Kapazität Cl oder der zweiten Kapazität C2.

Bei einer Parallelschaltung summieren sich die Kapazitäten, so dass bei gleichen Kapazitäten zwischen den Elektroden 10 und 14 und zwischen den Elektroden 12 und 14 eine„Gesamtkapazität" um einen Faktor 4 höher als die Kapazität Ct wäre. (Aufgrund der bei dem Stand der Technik mit einer Parallelschaltung höheren Kapazität ist die ausgegebene Spannung bei gleichen generierten Ladungen kleiner, weshalb bei diesem Stand der Technik auch die Sensitivität geringer ist.)

Beispielhaft ist in der Ausführungsform der Fig. 1 der Schichtstapel aus den Komponenten 10 bis 18 als Biegebalkenstruktur ausgebildet, wobei vorteilhafter Weise ein erstes Ende der Biegebalkenstruktur fest verankert ist und ein von dem ersten Ende weg gerichtetes zweites Ende der Biegebalkenstruktur freitragend ist. Alternativ kann der die Komponenten 10 bis 18 umfassende Schichtstapel auch eine Membran bilden, welche eine Kaverne oder eine

Aussparung zumindest teilweise abdeckt. Beide Ausbildungsmöglichkeiten für den Schichtstapel aus den Komponenten 10 bis 18 erlauben eine Vielzahl von Einsetzmöglichkeiten für das mikromechanische Bauteil. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit des Schichtstapels aus den Komponenten 10 bis 18 nicht auf eine Biegebalkenform oder eine Membranform beschränkt ist.

In der Ausführungsform der Fig. 1 sind die piezoelektrischen Schichten 16 und 18 aus Aluminiumnitrid (AIN), um den Vorteil zu nutzen, dass eine

Polarisationskomponente PI oder P2 einer Aluminiumnitridschicht senkrecht zu ihrer Grundlage/Abscheidefläche durch Wahl eines Materials der

Grundlage/Abscheidefläche für die spätere Aluminiumnitridschicht beeinflussbar ist. Eine Grundlage/Abscheidefläche aus Platin (Pt) führt zu einer zu der

Grundlage/Abscheidefläche gerichteten Polarisationskomponente P2 (,,Ν- Polarisation"). Demgegenüber führt eine Grundlage/Abscheidefläche aus

Aluminium (AI) zu einer von der Grundlage/Abscheidefläche weg gerichteten Polarisationskomponente PI („AI-Polarisation"). Deshalb ist in dem Beispiel der

Fig. 1 die erste Außenelektrode 10 aus Aluminium, während die

Zwischenelektrode 14 aus Platin ist. Für die zweite Außenelektrode 12 kann ein beliebiges Material, wie z.B. Platin, Aluminium, Silizium Titan, Wolfram oder Molybdän, gewählt werden. (Möglicherweise in der jeweiligen Elektrode 10 oder 14 ausgebildete Unterbrechungen haben kaum Auswirkungen auf die Bildung der

Polarisationskomponente PI oder P2 der kontaktierenden piezoelektrischen Schicht 16 oder 18.)

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.

Das in Fig. 2 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst die oben schon beschriebenen Komponenten 10 bis 26, wobei erneut die

piezoelektrischen Schichten 16 und 18 entgegen gerichtete

Polarisationskomponenten PI und P2 haben. Der Schichtstapel aus den Komponenten 10 bis 18 ist erneut als Biegebalken ausgebildet, welcher an einem ersten Ende des Biegebalkens verankert ist, während ein zweites Ende des Biegebalkens in Bezug zu dem ersten Ende unter Verformung insbesondere der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 verstellbar ist. Eine von der zweiten Außenelektrode 12 zu der ersten Außenelektrode 10 ausgerichtete Gegenkraft

Fg bewirkt deshalb einen Stauchungs-Stresszustand 22 in der ersten

piezoelektrischen Schicht 16 und einen Dehnungs-Stresszustand 20 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 18.

In der Ausführungsform der Fig. 2 kontaktiert die erste Außenelektrode 10 an dem ersten Ende des Biegebalkens ein Substrat 30 oder mindestens eine das Substrat 30 teilweise abdeckende Schicht 32, z.B. eine Isolierschicht 32. Das verankerte erste Ende des Biegebalkens ist zumindest teilweise von einer weiteren Isolierschicht 34 abgedeckt, über welche die mindestens eine erste (elektrische) Leitung 24 und die mindestens eine (nicht dargestellte) zweite (elektrische) Leitung 26 geführt sind. Über einen als Durchkontakt durch die zwei piezoelektrischen Schichten 16 und 18 ausgebildeten ersten Kontakt 36 ist die erste Außenelektrode 10 kontaktiert. Ein zweiter Kontakt 38 der zweiten

Außenelektrode 12 ist auf dieser abgeschieden. (Für die Zwischenelektrode 14 wird kein Kontakt benötigt.) Der Schichtstapel aus den Komponenten 10 bis 18 ist damit leicht so kontaktierbar, dass an der realisierten Reihenschaltung eine gegenüber dem Stand der Technik gesteigerte Gesamtspannung Ut zwischen den Außenelektroden 10 und 12 (als Sensorsignal) abgreifbar ist. Auch in dem Beispiel der Fig. 2 ist die erste piezoelektrische Schicht 16 in einem direkten Kontakt mit einer Oberfläche der ersten Außenelektrode 10 gebildet, während die zweite piezoelektrische Schicht 18 direkt auf einer von der ersten piezoelektrischen Schicht 16 weg gerichteten Oberfläche der Zwischenelektrode 14 abgeschieden ist. Die gewünschten entgegen gerichteten

Polarisationskomponenten PI und P2 der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 sind somit gewährleistbar, indem die erste Außenelektrode 10 und die

Zwischenelektrode 14 aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind.

Beispielsweise können die erste Außenelektrode 10 und die Zwischenelektrode 14 aus mindestens einem der Materialien Platin, Aluminium, Silizium und Molybdän gebildet sein, während die erste piezoelektrische Schicht 16 und die zweite piezoelektrische Schicht 18 Aluminiumnitrid umfassen.

Ein Schichtstapel aus der ersten Außenelektrode 10, der ersten

piezoelektrischen Schicht 16, der Zwischenelektrode 14, der zweiten

piezoelektrischen Schicht 18 und der zweiten Außenelektrode 12 kann z.B. (in der gegebenen Reihenfolge) folgende Materialien aufweisen:

Platin/Aluminiumnitrid/Aluminium/Aluminiumnitrid/Platin,

Platin/Aluminiumnitrid/Aluminium/Aluminiumnitrid/Aluminiu m,

Aluminium/Aluminiumnitrid/Platin/Aluminiumnitrid/Platin,

Aluminium/Aluminiumnitrid/Platin/Aluminiumnitrid/Aluminium. Entsprechende Kombinationen mit den Materialien Silizium und Molybdän sind ebenfalls möglich. Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile eignen sich aufgrund ihrer gesteigerten Sensitivitäten gut für die Verwendung in einem Mikrofon, einer Sensorvorrichtung (wie z.B. einer Sensorvorrichtung zum Ermitteln und/oder Nachweisen einer Kraft, eines Drucks oder eines Schalls) oder in einem Energie- Harvester. Als optionale Weiterbildung können die mikromechanischen Bauteile auch mehrere aus je einem Schichtstapel mit den Komponenten 10 bis 26 gebildete Biegebalken/Biegebalkenstrukturen aufweisen. Die unterschiedlichen Polarisationskomponenten PI und P2 der piezoelektrischen Schichten 16 und 18 und die jeweilige Reihenschaltung sind beispielsweise mittels eines

Transmissionselektronenmikroskops (TEM, Transmission Electron Microscope) oder eines Rasterkraftmikroskops (PFM, Piezo Force Microscope oder SEM,

Scanning Electron Microscope) erkennbar.

Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.

Das im Weiteren beschriebene Herstellungsverfahren kann beispielsweise zum Herstellen eines der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile ausgeführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des Herstellverfahrens nicht auf das Herstellen eines dieser mikromechanischen Bauteile beschränkt ist. In einem Verfahrensschritt Sl wird eine erste Außenelektrode gebildet. Die erste Außenelektrode kann beispielsweise so gebildet werden, dass sie ein Substrat oder mindestens eine das Substrat teilweise abdeckende Schicht kontaktiert.

Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S2 eine erste piezoelektrische Schicht direkt oder indirekt über einer Oberfläche der ersten Außenelektrode gebildet. In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird direkt oder indirekt über der ersten piezoelektrischen Schicht eine Zwischenelektrode so gebildet, dass die Zwischenelektrode auf einer von der ersten Außenelektrode weg gerichteten

Seite der ersten piezoelektrischen Schicht liegt.

In einem anschließenden Verfahrensschritt S4 wird eine zweite piezoelektrische Schicht direkt oder indirekt über einer von der ersten piezoelektrischen Schicht weg gerichteten Oberfläche der Zwischenelektrode gebildet. Danach erfolgt in einem Verfahrensschritt S5 ein Bilden einer zweiten Außenelektrode direkt oder indirekt über der zweiten piezoelektrischen Schicht, wobei die zweite

Außenelektrode auf einer von der Zwischenelektrode weg gerichteten Seite der zweiten piezoelektrischen Schicht gebildet wird.

Die Verfahrensschritte S2 und S4 werden so ausgeführt, dass die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht derart gebildet werden, dass eine senkrecht zu der Oberfläche der Außenelektrode

ausgerichtete erste Polarisationskomponente der ersten piezoelektrischen Schicht überwiegend in eine erste Richtung ausgerichtet wird, während eine senkrecht zu der Oberfläche der Zwischenelektrode (14) ausgerichtete zweite Polarisationskomponente der zweiten piezoelektrischen Schicht überwiegend in eine der ersten Richtung entgegen gerichtete zweite Richtung ausgerichtet wird. Damit schafft auch das hier beschriebene Herstellungsverfahren die oben schon genannten Vorteile.

In den Verfahrensschritten Sl, S3 und S5 kann zur Herstellung der jeweiligen Elektrode mindestens ein Metall und/oder mindestens ein (evtl. dotiertes) Halbleitermaterial verwendet werden. In den Verfahrensschritten S2 und S4 ist eine Vielzahl von piezoelektrischen Materialien, welche auf eine Ausübung einer mechanischen Kraft oder eines mechanischen Stresses darauf mit einer

Generierung einer Ladung/Spannung reagieren, für die jeweilige piezoelektrische Schicht verwendbar. Es wird darauf hingewiesen, dass weder eine Ausbildbarkeit der Elektroden noch eine Ausbildbarkeit der piezoelektrischen Schichten auf die Verwendung eines bestimmten Materials limitiert ist.

Um unterschiedliche Polarisationskomponenten der piezoelektrischen Schichten zu bewirken, können die Außenelektrode und die Zwischenelektrode (in den Verfahrensschritten Sl und S3) aus unterschiedlichen Materialien, wie z.B.

Platin, Aluminium, Silizium und Molybdän, gebildet werden. In dem

Verfahrensschritt S2 wird die erste piezoelektrische Schicht (vorzugsweise aus Aluminiumnitrid) dann direkt auf der Oberfläche der ersten Außenelektrode gebildet, so dass die erste Polarisationskomponente entsprechend der Wahl des Materials der ersten Außenelektrode ausgerichtet wird. Entsprechend wird in dem Verfahrensschritt S4 die zweite piezoelektrische Schicht direkt auf der von der ersten piezoelektrischen Schicht weg gerichteten Oberfläche der

Zwischenelektrode (insbesondere aus Siliziumnitrid) gebildet, wobei die zweite Polarisationskomponente entsprechend der Wahl des Materials der

Zwischenelektrode festgelegt wird. Durch die Wahl unterschiedlicher Materialien für die erste Außenelektrode und die Zwischenelektrode können die entgegen gerichteten Polarisationskomponenten der piezoelektrischen Schichten damit auf einfache Weise und kostengünstig geschaffen werden.

Unterschiedliche Polarisationskomponenten sind in den piezoelektrischen Schichten auch bewirkbar, wenn ein während des Verfahrensschritts S2 eingehaltenes erstes Verhältnis der zum Bilden zumindest einer ersten

Startschicht der ersten piezoelektrischen Schicht abgeschiedenen

unterschiedlichen Elementen/Materialien von einem während des

Verfahrensschritts S4 eingehaltenen zweiten Verhältnis zumindest einer zweiten Startschicht der zum Bilden der zweiten piezoelektrischen Schicht

abgeschiedenen unterschiedlichen Elementen/Materialien abweicht. Zum

Einstellen der gewünschten Polarisationskomponente mittels eines bestimmten Verhältnisses der unterschiedlichen Elementen/Materialien der jeweiligen piezoelektrischen Schicht kann es ausreichen, wenn dieses nur am Anfang des Schichtwachstums verwendet wird um die jeweilige Startschicht mit der gewünschten Polarisationskomponente zu generieren. Beispielsweise können die erste piezoelektrische Schicht und die zweite piezoelektrische Schicht aus Aluminium und Stickstoff derart gebildet werden, dass ein erstes Aluminium- Stickstoff-Verhältnis zumindest der ersten Startschicht der ersten

piezoelektrischen Schicht von einem zweiten Aluminium-Stickstoff-Verhältnis zumindest der zweiten Startschicht der zweiten piezoelektrischen Schicht abweicht. Nach dem Bilden der jeweiligen Startschicht kann für die Abscheidung der restlichen piezoelektrischen Schicht zu einem optimierten (z.B.

stöchiometrischen) Verhältnis/Wachstum zurückgekehrt werden.

Außerdem sind die unterschiedlichen Polarisationskomponenten der

piezoelektrischen Schichten realisierbar, indem während des Verfahrensschritts S2 beim Bilden der ersten piezoelektrischen Schicht zumindest in einer ersten Anfangsphase andere Wachstumsparameter eingehalten werden als während des Verfahrensschritts S4 zumindest in einer zweiten Anfangsphase beim Bilden der zweiten piezoelektrischen Schicht. Beispiele für Wachstumsparameter, mittels welchen eine Polarisationskomponente/Polarisation der gewachsenen piezoelektrischen Schichl Startschicht beeinflussbar ist, sind zum Beispiel eine Temperatur, ein Druck, eine Sputtering-Power oder eine Gasmischung in einer unmittelbaren Umgebung zu dem ausgewachsenen Material. Beispielsweise kann ein während des Verfahrensschritts S2 zumindest in der ersten

Anfangsphase eingehaltener Argon-, Stickstoff- und/oder Sauerstoff- Bestandteil der Gasmischung (als Wachstumsparameter) von einem während des

Verfahrensschritts S4 zumindest in der zweiten Anfangsphase eingehaltenen Argon-, Stickstoff- und/oder Sauerstoff- Bestandteil der Gasmischung abweichen.

Evtl. kann nach der jeweiligen Anfangsphase für die Abscheidung der restlichen Schicht zu einem optimierten (z.B. stöchiometrischen) Verhältnis/Wachstum zurückgekehrt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung mindestens einer

Polarisationskomponente der piezoelektrischen Schichten besteht darin, zumindest die erste piezoelektrische Schicht oder die zweite piezoelektrische Schicht als ferroelektrische Schicht zu bilden, und bei oder nach dem Bilden der mindestens einen ferroelektrischen Schicht (evtl. in einem weiteren, nicht dargestellten Verfahrensschritt) deren spätere Polarisationskomponente mittels eines angelegten elektrischen Felds festzulegen. (Das zum Festlegen der Polarisationskomponente/Polarisation angelegte elektrische Feld kann insbesondere größer als ein Koerzitivfeld sein.) Somit können auch elektrische Felder (bzw. Spannungen) mit der für die aufgewachsene Schicht gewünschten Polarisationskomponente in mindestens einem der Verfahrensschritte S2 und S4 zum Festlegen der jeweiligen Polarisationskomponente der betreffenden piezoelektrischen Schicht verwendet werden. Insbesondere kann während des Verfahrensschritts S2 beim Bilden der ersten piezoelektrischen Schicht ein in eine erste Richtung ausgerichtetes erstes elektrisches Feld vorherrschen, während beim Ausführen des Verfahrensschritts S4 zum Bilden der zweiten piezoelektrischen Schicht ein in eine (zu der ersten Richtung entgegen gerichtete) Gegenrichtung ausgerichtetes zweites elektrisches Feld eingesetzt wird.

Die mindestens eine ferroelektrische Schicht kann (zumindest teilweise) aus Blei- Zirkonat-Titanat (PZT), Kalium-Natrium-Niobat (KNN), Magnesiumniobbleititanat (PMN-PT), Bismuth-Sodium-Titanat (BNT) und/oder Bismuth-Eisenoxid (BFO) gebildet werden. Somit ist eine Vielzahl von Materialien zum Bilden der mindestens einen ferroelektrischen Schicht verwendbar.

Mindestens eine der Polarisationskomponenten der piezoelektrischen Schichten kann auch festgelegt werden, indem eine erste Zwischenschicht zwischen der ersten Außenelektrode und der ersten piezoelektrischen Schicht und/oder eine zweite Zwischenschicht zwischen der Zwischenelektrode und der zweiten piezoelektrischen Schicht eingefügt werden. Die mindestens eine

Zwischenschicht kann mittels ihres jeweiligen Material-Verhältnisses (z.B. ihres Aluminium-Stickstoff-Verhältnisses), durch Verwendung bestimmter

Wachstumsparameter beim Bilden der Zwischenschicht und/oder ihrer

Dotierstoffe so ausgebildet werden, dass die unterschiedlichen

Polarisationskomponenten beim Bilden der piezoelektrischen Schichten

(automatisch) realisierbar werden.