Technologie

Gedruckte Lautsprecher

08.01.2021 - Additives Verfahren für günstige und effiziente Mini-Lautsprecher.

In einem additiven Fertigungs­verfahren lassen sich Miniatur­lautsprecher als Teil von piezo­elektrischen, mikroelektro­mechanischen Systemen – Piezo-MEMS – mit einer Kombination von Tinten­strahldruck und Lasertechnik effizient und kostengünstig herstellen. Dies beweisen Wissen­schaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT, des Instituts für Werkstoffe der Elektrotechnik 2 (IWE2) der RWTH Aachen sowie des Fraunhofer-Instituts für Silizium­technologie ISIT. Ein entsprechendes Demo-Bauteil entstand im Rahmen des kürzlich abge­schlossenen BMBF-Verbund­projektes „Generative Herstellung effizienter Piezo-MEMS für die Mikroaktorik (GENERATOR)“.

Piezo-MEMS sind wahre 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), der derzeit leistungs­fähigsten piezo­elektrischen Funktions­keramik. Es kommen bevorzugt piezo­elektrische, wenige μm dünne Schichten zum Einsatz, welche sich beispielsweise durch Ätzen oder direktes Drucken sehr genau strukturieren lassen.

Bislang wurden in der Produktion von Piezo-MEMS konventionelle vakuum- und masken­basierte Herstellungs­methoden eingesetzt, die allerdings insbesondere bei der Produktion von Kleinserien sehr zeit- und kosten­intensiv sind. Nun bildet eine Verfahrens­kombination aus digitalem Tintenstrahl­druck und Laser­kristallisation eine günstige Alternative: Nach dem Auftragen von PZT-Spezialtinte auf 8“-Silizium-Wafern folgt die Kristal­lisation mittels Laserstrahlung bei lokalen Temperaturen von über 700 Grad Celsius. Für Qualität sorgt ein temperatur­geregelter Prozess, der die Temperatur­schwankungen eng begrenzt.

Aus mehreren zwanzig bis dreißig Nanometer dünnen PZT-Schichten wird ein mehr­lagiger Aktuator mit einer Gesamt­schichtdicke von zwei bis drei Mikrometern aufgebaut. „Anfangs brachten wir nur eine einfache Schicht auf, mittler­weile entsteht Schicht um Schicht ein Multi-Material-Stack“, sagt Samuel Fink. Abwechselnd bauen sich übereinander insgesamt bis zu dreißig Schichten aus Funktions­keramik- und Elektroden zu einem Mikro­lautsprecher auf. Dank dieser Konstruktion soll der Aktuator eine bessere Performance 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 µm dick ist und dadurch eine sehr geringe Masse hat, lassen sich so akustische Signale vor allem im Hochton-Bereich ausgezeichnet übertragen. „Das Schöne 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“, so Christian Vedder.

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, denn die Investition in die Anlagen­technik fällt im Vergleich zu konven­tioneller Technik deutlich günstiger aus. Fink: „Der Anwender benötigt dazu entsprechende Druck- und Lasersystem­technik sowie speziell angepasste PZT- und LNO-Tinten. Sogar sehr kleine Job-Shops könnten sich daher in Zukunft eine Kleinserien­produktion für Mikroaktorik aufbauen.“

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 etwa Dünnstglas denkbar, welche die Fertigung noch erheblich vereinfachen und vielfältige Anwendungs­möglichkeiten erschließen würden. „Im Laufe des Projekts konnten wir neben der Verfahrens­entwicklung sehr spannende Ergebnisse zu den grundlegenden Mechanismen der Laser­kristallisation von Keramiken erarbeiten, die im Millisekunden­bereich ablaufen. Hier bahnen sich neue Möglich­keiten an, die mich persönlich sehr interessieren und sich bald hoffentlich auch auf andere Materialien und damit Einsatz­gebiete übertragen lassen“, blickt Fink in die Zukunft.

Fh.-ILT / JOL

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