So groß wie ein 1-Cent-Stück: Gedruckter Miniaturlautsprecher mit Zukunftsperspektive

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.
Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen
07.01.2021

In einem additiven Fertigungsverfahren lassen sich Miniaturlautsprecher als Teil von piezoelektrischen, mikroelektromechanischen Systemen – sogenannten Piezo-MEMS – mit einer Kombination von Tintenstrahldruck und Lasertechnik effizient und kostengünstig herstellen. Dies beweisen das Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT, das Instituts für Werkstoffe der Elektrotechnik 2 (IWE2) der RWTH Aachen sowie das 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 u.a. 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.

Alternative zur konventionellen Hochvakuumbeschichtung: Laserunterstützte Druckverfahren 

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. Im Rahmen des Förderprojektes GENERATOR entwickelte das Fraunhofer ILT gemeinsam mit Partnern eine Verfahrenskombination aus digitalem Tintenstrahldruck und Laserkristallisation als günstige Alternative: Nach dem Auftragen von PZT-Spezialtinte auf 8“-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.

Trend zum Multi-Material-Stack

Aus mehreren 20 bis 30 nm dünnen PZT-Schichten wird ein mehrlagiger Aktuator mit einer Gesamtschichtdicke von 2 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.

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 z.B. Dünnstglas denkbar, welche die Fertigung noch erheblich vereinfachen und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erschließen würde.

Kontakt: Fraunhofer ILT, info@ilt.fraunhofer.de