Ultraschall Sensoren und Aktoren in mobilen Geräten gewinnen heutzutage immer mehr und mehr an Bedeutung durch die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise Gesten-Erkennung oder Fingerabdruck-Sensoren. Typischerweise wird Ultraschall in mobilen Anwendungen durch das Treiben der Aktoren in Resonanz erzeugt. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges Konzept um Ultraschall zu erzeugend entwickelt, basierend auf einem integrierten, piezoelektrischen Dünnfilm, um zwischen den beiden Grundzuständen einer bistabilen, in Silizium-Mikrotechnik hergestellten Membran umzuschalten. Die kompressive, mechanische Vorspannung in der Membran, die benötigte wird, um Bistabilität zu erreichen, wurde mittels der piezoelektrischen Schicht durch präzises Einstellen des Schichtstresses erreicht. In einem ersten Schritt wurde das Verhalten der bistabilen MEMS Membranen, basierend auf einer monokristallinen Silizium Membran und einer durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) abgeschiedenen amorphen wasserstoffreichen Siliziumkarbid (a-SiC:H) Schicht evaluiert, um fundamentale Bauteileigenschaften zu erarbeiten. Bistabile Membranen mit einer Gesamtdicke von 2.05 μm bis 5.4 μm wurden hergestellt und mithilfe eines Laser Doppler Vibrometers (LDV) sowie eines Weißlicht Interferometers (WLI) vermessen. Beim Umschalten zwischen den beiden Grundzuständen konnten Umschaltauslenkungen zwischen 1.8 und 16.8 μm erreicht werden. Dies entspricht einem verdrängten Volumen im Bereich von 2.06 bis 288.24·10-15 m3. Während des Umschaltvorganges wurden mit dem LDV Geschwindigkeiten bis zu 4.5 m/s gemessen, welche in außergewöhnlich hohe Beschleunigungen bis zu 11·106 m/s2 bei einer typischen Umschaltdauer von 20 μs resultieren. In einem nächsten Schritt wurden bistabile Membranen untersucht, die aus folgendem Schichtaufbau bestanden: 2 μm monokristallinem Silizium, einer 80 nm dünnen Silizium Oxintrid Schicht und einer gesputterten, 400 nm dünnen piezoelektrischen Aluminiumnitrid (AlN) Schicht, die zwischen einer Top- und einer Bodenelektrode aus Chrom und Gold (50/250 nm) angeordnet war. Es resultierte eine Gesamtschichtdicke von 3.23 μm, wobei die Durchmesser zwischen 600 und 800 μm variieren. Der Sputter-Prozess wurde so eingestellt, dass der Schichtstress in den AlN-Schichten einen kompressiven Wert von -600 MPa (+-75 MPa) aufweist, um bistabiles Membranverhalten zu erreichen. Um zwischen den beiden Grundzuständen umzuschalten wurden rechteckige Pulse mit Peak-to-Peak Spannungswerten zwischen 25 und 45 Vpp bei Pulswiederholraten von 50 bis 120 kHz verwendet. Das akustische Verhalten der hergestellten Membranen wurde mit einem hochpräzisen Mikrofon charakterisiert. Dieser breitbandige Ultraschall Impuls ist der wesentliche Unterschied von den bistabilen Aktoren zu den in Resonanz betriebenen. Der maximale gemessene Schallpegel betrug beachtenswerte 112.6 dB bei einer Distanz von 10 mm.
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Ultrasonic sensors and actuators in mobile devices are getting more and more attraction these days due to the many different applications such as gesture tracking or fingerprint sensors. Typically, ultrasonic sound is generated by driving the actuators in resonance. A novel approach is demonstrated in this thesis by switching between the two ground states of bistable MEMS membranes using an integrated piezoelectric layer. Furthermore, the compressive stress needed to induce membrane buckling is ideally provided by the piezoelectric layer, thus requesting a precise tuning of its film stress. In a first step the performance of bistable MEMS membranes based on a monocrystalline silicon membrane and an amorphous hydrogen rich silicon carbide (a-SiC:H) layer deposited with a plasma enhanced physical vapour deposition (PECVD) process was investigated to study fundamental device features. Bistable bilayer membranes with a total thickness ranging from 2.05 μm to 5.4 μm were fabricated and measured with a laser Doppler vibrometer (LDV) and a Whitelight interferometer (WLI). When switching between the ground states, the switching displacements were between 1.8 μm and 16.8 μm, respectively. When switching between the ground states this results in a displaced volume in the range of 2.06 to 288.24·10-15 m3. Membrane velocities, measured with the LDV method were determined up to 4.5 m/s what, in turn, resulted in extraordinarily high acceleration values up to 11·106 m/s2 in a time frame of typically 20 μs In a next step bistable, 2 μm thin monocrystalline silicon membranes were fabricated covered with 400 nm sputter-deposited piezoelectric aluminium nitride (AlN) which is sandwiched between a bottom and a top electrode of chrome and gold (50/250nm) on a 80 nm thin silicon oxynitride layer. This results in a total thickness of 3.23 μm whereas the diameters ranged between 600 to 800 μm. The sputter process was adjusted such that the AlN layers have compressive stress values of 600 MPa (±75 MPa) to ensure bistability. To switch between the two stable ground states, rectangular pulses with peak-to-peak voltages ranging between 25 to 45 Vpp with repetition frequencies from 50 to 120 kHz showed the best results. Due to the additional piezoelectric stack, an asymmetry in the membrane architecture was introduced. As a consequence, one of the two ground states is energetically preferred. This results in different stimulation signals needed to initiate switching depending on the initial ground state. Tailored repetition frequencies were found which overcome this problem, thus stimulating switching independent of the membrane starting condition. The acoustic performance of the fabricated membranes was measured with a high-precision microphone. Furthermore, periodic bistable switching between the ground states was also measured with a microphone and showed a very broadband acoustic signal ranging from 30 to 60 kHz and also above 100 kHz with an impressive maximum SPL of 112.6 dB at 10 mm distance. This broadband acoustic signal is a main difference comparing to ultrasonic actuators driven in resonance with one specific peak in the frequency spectrum.
