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Mikrolautsprecher aus dem Drucker

Dünnschicht-Elektronik kostengünstig herstellen

08. Januar 2021, 10:12 Uhr   |  Kathrin Veigel

Dünnschicht-Elektronik kostengünstig herstellen
© Fraunhofer ILT, Aachen

Sechseckig, winzig, günstig: Der Mini-Lautsprecher von Fraunhofer ILT, Fraunhofer ISIT sowie IWE2 der RWTH Aachen beweist, dass sich Mikroaktorik per Tintenstrahldrucker und Laser sekundenschnell und preiswert herstellen lässt.

Mit additiver Fertigung lassen sich Miniaturlautsprecher als Teil von piezoelektrischen, mikroelektromechanischen Systemen – sogenannten Piezo-MEMS – mit einer Kombination von Tintenstrahldruck und Lasertechnik kostengünstig herstellen. Dies haben Fraunhofer- und RWTH-Aachen-Forscher nun bewiesen.

Piezo-MEMS sind technische Alleskönner, denn die hauchdünnen piezoelektrischen Schichten erfüllen wahlweise aktorische oder sensorische Funktionen: Entweder dehnen sie sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes aus oder sie wandeln mechanische Bewegung in elektrische Spannung um. Entsprechend gefragt sind sie in der Kommunikations- oder Medizintechnik zum Beispiel als Sensor oder Aktor in Pumpen, Ventilen oder Lautsprechern – jeweils im Miniaturformat.

Die Dünnschichten bestehen in der Regel aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Es kommen bevorzugt piezoelektrische, wenige Mikrometer dünne Schichten zum Einsatz, welche sich beispielsweise durch Ätzen oder direktes Drucken sehr genau strukturieren lassen.

Alternative zur konventionellen Hochvakuumbeschichtung

Bislang wurden in der Produktion von Piezo-MEMS konventionelle vakuum- und maskenbasierte Herstellungsmethoden eingesetzt, die allerdings bei der Produktion von Kleinserien zeit- und kostenintensiv sind. Im Rahmen des Projekts GENERATOR entwickelte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT und dem Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik 2 (IWE2) der RWTH Aachen daher als günstige Alternative eine Verfahrenskombination aus digitalem Tintenstrahldruck und Laserkristallisation: Nach dem Auftragen von PZT-Spezialtinte auf 8-Zoll-Silizium-Wafern folgt die Kristallisation mittels Laserstrahlung bei lokalen Temperaturen von über 700 °C. Für Qualität sorgt ein temperaturgeregelter Prozess, der die Temperaturschwankungen auf ± 5 °C begrenzt.

Fraunhofer ILT Mini-Lautsprecher
© Fraunhofer ILT, Aachen

Auf den Wafer lassen sich mittels Inkjet-Druck technische Strukturen und beliebige Geometrien auftragen, die Funktionalisierung erfolgt via Laserstrahlung. Danach werden die einzelnen Lautsprecherelemente vereinzelt und in eine elektronische Umgebung eingebunden.

Trend zum Multi-Material-Stack

Aus mehreren 20 nm bis 30 nm dünnen PZT-Schichten wird ein mehrlagiger Aktuator mit einer Gesamtschichtdicke von 2 µm bis 3 µm aufgebaut. Abwechselnd bauen sich übereinander insgesamt bis zu 30 Schichten aus Funktionskeramik- und Elektroden zu einem Mikrolautsprecher auf. Dank dieser Konstruktion soll der Aktuator eine bessere Leistung und höhere Wiedergabequalität als übliche Aktuatoren aufweisen. Dabei greifen PZT-Schichten und Elektroden-Schichten wie zwei sehr feine Kämme ineinander. Durch die schnelle Laserbearbeitung der Schichten sinkt die sonst minutenlange Bearbeitungszeit je Schicht auf wenige Sekunden.

Als Elektrodenmaterial verwenden die Wissenschaftler statt des gängigen und sehr teuren Platins die elektrisch leitende Keramik Lanthan-Nickel-Oxid (LNO). Durch den Verzicht auf metallische Komponenten kann die Haltbarkeit dieser rein keramischen Multi-Material-Stacks deutlich gesteigert und die Materialkosten gleichzeitig gesenkt werden.

Legt man nun eine Wechselspannung an diesen Multi-Material-Stack an, verformen sich die PZT-Schichten in Bruchteilen von Sekunden und regen dadurch den ganzen Stack zur Schwingung an. Da das ganze System nur wenige Mikrometer dick ist und dadurch eine sehr geringe Masse hat, lassen sich so akustische Signale vor allem im Hochton-Bereich ausgezeichnet übertragen. Das Besondere an dieser Fertigungsmethode sind die digital steuerbaren Druck- und Laserverfahren, die eine instantane Designänderung der hergestellten Schichten ohne Mehrkosten für Masken oder Werkzeuge und somit auch die Produktion kleinerer Losgrößen ermöglichen.

Chance für kleine und mittlere Unternehmen

Konventionelle Anlagen zum Herstellen von Dünnschicht-Elektronik kosten mehrere Millionen Euro und lohnen sich daher nur für die Großserienproduktion. Bei kleineren Losgrößen wird das additive Hybridverfahren interessant, vor allem wenn das Bauteil wie der Mikrolautsprecher aus mehreren Schichten besteht. Das Verfahren eignet sich daher besonders für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), denn die Investition in die Anlagentechnik fällt im Vergleich zu konventioneller Technik deutlich günstiger aus. 

Es geht einfacher: Glas statt Silizium

Bisher wurde das Verfahren für die Beschichtung von Siliziumsubstraten verwendet. Diese müssen nach dem Aufbau des Multi-Stack-Systems bisher noch relativ aufwändig nachbearbeitet werden, um einsatzfähige Bauteile zu erzeugen. Durch die Eigenschaften des laserbasierten Herstellungsverfahrens sind aber auch andere Substrate wie zum Beispiel Dünnstglas denkbar, welche die Fertigung noch mehr vereinfachen und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erschließen würden.

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