DE102004054293A1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen keramischen akustischen Wandlers - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen keramischen akustischen Wandlers Download PDF

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Robert S. Lewandowski
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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen akustischen Wandlers mit verringerter elektrischer Gesamtimpedanz ist beschrieben. Das Verfahren beruht darauf, dass zwei piezoelektrische Keramikschichten (2, 4) mit einander gegenüberliegenden metallisierten Oberflächen an einen dünnen elektrischen Leiter angeheftet werden, hierauf die obere und die untere Oberfläche elektrisch miteinander verbunden werden, um eine Wrap-Around-Elektrode (12, 16, 18) auszubilden, während ein mittiger Leiter (6) eine zweite Elektrode bildet. Die elektrische Gesamtimpedanz eines Zweischichten-Keramikstapels, der aus in dieser Weise miteinander verbundenen piezoelektrischen Schichten besteht, beträgt ein Viertel jenes einen massiven Keramikelements der gleichen Größe. Dies ergibt eine bessere Anpassung der akustischen Stapelimpedanz an jene des elektrischen Kabels, eine erhöhte Eindringtiefe zur Bildgabe in dem Körper und eine verbesserte Empfindlichkeit des akustischen Elementes.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf piezoelektrische, keramische Mehrschichtwandler. Im Besonderen betrifft die Erfindung die Konstruktion von Ultraschallwandlern, um die Empfindlichkeit eines Ultraschallbildgebungssystems zu verbessern.
  • Akustische Wandler, die bei der Ultraschallbbildgebung Verwendung finden, sind aus einem piezoelektrischen Material hergestellt, dessen Oberflächen metallbeschichtet und an eine Potential (Signal)- bzw. eine Masse-Quelle angeschlossen sind. Dieses piezoelektrische Material besteht typischerweise aus einer Zusammensetzung aus Bleizirkonattitanat (PZT)-Keramik. Im Betrieb wird an die PZT-Elektroden eine hochfrequente elektrische Schwingung angelegt, die eine Veränderung der keramischen Dimensionen hervorruft und eine akustische Druckwelle oder einen akustischen Druckimpuls erzeugt. Umgekehrt, wenn eine akustische Reflexion auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials stattfindet, erzeugt sie eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden, die als Empfangssignal detektiert wird.
  • Koaxialkabel, die den akustischen Wandler mit dem zur Erzeugung und Detektion der elektrischen Schwingungen verwendeten System verbinden, haben typischerweise eine elektrische Impedanz von zwischen 50 Ohm bis 100 Ohm. Es ist zweckmäßig, dass die Elemente eines akustischen Wandlers auch eine elektrische Impedanz haben, die gleich jener des Kabels ist. Die elektrische Impedanz des Wandlerelementes ist aber eine Funktion der Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Materials, der geometrischen Fläche und der Dicke. Da das akustische Ansprechverhalten und die Frequenz eines piezoelektrischen Elementes für spezielle Verhältnisse hinsichtlich der geometrischen Fläche und Dicke optimiert sind, können diese Parameter nicht noch so optimiert werden, dass sie an die elektrische Impedanz des Kabels angepasst sind. In den meisten Fällen kann die elektrische Impedanz eines Elements in einem Ultraschallarray zwischen mehreren 100 Ohm, bei einem Element in einem linearen Array, bis zu mehr als 1000 Ohm bei kleineren Elementen in einem zweidimensionalen Array variieren. Diese Fehlanpassung der elektrischen Impedanzen verringert den elektrischen Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit des Elementes.
  • Ultraschallwandler, die für die medizinische Bildgebung und für nicht destruktive Untersuchungen eingesetzt werden, sind durch zwei Haupteigenschaften, die Empfindlichkeit und die Bandbreite, gekennzeichnet, die unmittelbar mit der Eindringtiefe und Auflösung des Bildgebungssystems zusammenhängen. Es ist bekannt, dass piezoelektrische Mehrschichtstrukturen im Vergleich zu gebräuchlichen Einschichtvorrichtungen eine Empfindlichkeitsverbesserung bringen. Dies rührt daher, dass die Mehrschichtstruktur die Impedanz des piezoelektrischen Keramikelementes, z.B. aus Bleizirkonattitanat (PZT) verkleinert. Jedes Elemente liegt als eine Vielzahl individueller Keramikschichten vor, die elektrisch parallel, aber akustisch in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise wirkt das Element akustisch immer noch so als wäre es vollkeramisch, während es aber eine elektrische Impedanz aufweist, die durch das Quadrat der Zahl der Keramikschichten verkleinert ist.
  • Bei einem Mehrschicht-PZT-Wandler Array sind die N (N > 1) Schichten akustisch in Reihe miteinander liegend gekoppelt, so dass die λ/2 Resonanzdicke gleich t, der Stapeldicke, ist. Wenn die Polarität einer angelegten Spannung mit der Polungsrichtung übereinstimmt, expandiert das piezoelektrische Material in der Dickenrichtung. Da die elektrische Polarität bei jeder Schicht gleich mit der Polungsrichtung ist, expandieren oder kontraktieren die Schichten gemeinsam. Für eine vorgegebene angelegte Spannung ist das elektrische Feld über jede Schicht (Dicke t/N) größer als das bei einem Einschicht-Wandler (Dicke t), woraus sich ein größerer akustischer Ausgangswert ergibt. Umgekehrt kann der akustische Ausgang eines PZT-Elements mit einer einzigen Dicke bei einer verkleinerten angelegten Spannung angepasst werden. Elektrisch sind die Schichten parallel geschaltet. Verglichen mit einer Einschicht-Vorrichtung ist eine N-Schicht-Vorrichtung im Wesentlichen die Summe von N dünneren Kondensatoren, die parallel zueinander liegen. Da die Gesamtdicke der Struktur bei einer gegebenen Betriebsfrequenz konstant bleibt, erhöht sich die Kapazität der Vorrichtung als Funktion von N2. Demgemäß geht die Impedanz als Funktion des Kehrwerts von N2 zurück.
  • Die US-Patentschrift 6,260,248 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen, monolithischen, piezoelektrischen Aktuators, bei dem Elektroden auf piezoelektrische Grünsubstrate aufgelegt und dann gemeinsam gebrannt werden, um eine feste Mehrschichtstruktur zu erzeugen. Bei nach diesem Verfahren hergestellten Strukturen ist es aber schwierig die bei Ultraschallwandlern erforderlichen Tole ranzen einzuhalten, weil das gemeinsame Brennen der piezoelektrischen und der Elektrodenmaterialen zu einer Welligkeit oder Unebenheit bei den Schichten führen kann. Außerdem geschieht die Erzeugung piezoelektrischer Keramikteile mit fester elektromagnetischer Kopplung, wie sie für medizinische Ultraschallanwendungen erforderlich sind, am Besten unter Hochdrucksinterbedingungen, die für Schichtstrukturen dieser Art jedoch nicht zweckmäßig sind. Es ist deshalb am Besten die Mehrschichtstruktur aus flachen, piezoelektrischen Blättchen hoher Qualität herzustellen und nicht aus gemeinsam gebrannten grünen Keramiksubstraten.
  • Ein in der US-Patentschrift 5,381,385 beschriebener zweiter Ansatz besteht darin, eine Schichtstruktur aus dünnen, piezoelektrischen Schichten aufzubauen, von denen jede Schicht eine Metallelektrode auf ihrer Oberfläche aufweist. Das Array wird dadurch hergestellt, dass Löcher (oder Vias) in einem Stapel piezoelektrischen Materials erzeugt werden. Die Vias können mit Laser oder mechanischem Bohren erzeugt werden. Keramikstoffe zu durchbohren ist aber eine schwierige Aufgabe, und zwar insbesondere bei kleinen Löchern durch dickere Keramiksubstrate. Akustische Niederfrequenzwandler haben eine Keramik, die zu dick sein kann, um Vias herzustellen, während die kleine Elementengröße bei Hochfrequenzwandlern eine hohe Dichte der Vias erfordert, die die Keramikstruktur schwächt. Außerdem muss nach der Erzeugung der Vias ein elektrischer Kontakt zu der in die tief unten liegende Keramikschicht eingebetteten Elektrode hergestellt werden. Dies kann wegen des Längen-/Durchmesserverhältnisses (Aspektverhältnis) des Lochs schwierig sein, es sei denn, das Via weist eine große Querschnittsfläche auf.
  • Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach einfacheren Herstellungsverfahren für mehrschichte, piezoelektrische Keramikgebilde.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen akustischen Wandlers mit verringerter elektrischer Gesamtimpedanz. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht bei einer Ausführungsform darauf, dass zwei piezoelektrische Keramikschichten mit einander gegenüberliegenden metallisierten Oberflächen auf einen dünnen, elektrischen Leiter aufgebracht werden, worauf die obere und die untere Oberfläche so angeschlossen werden, dass eine Wrap-Around-Elektrode (Umfüllungselektrode) ausgebildet wird, während ein mittiger Leiter eine zweite Elektrode bildet. Die elektrische Gesamtimpedanz eines zweischichtigen Keramikstapels, der aus piezoelektrischen Schichten besteht, die auf diese Weise miteinander verbunden sind, beträgt ein Viertel jenes eines massiven Keramikelements der gleichen Größe. Dies ergibt eine bessere Anpassungsimpedanz des akustischen Stapels an jene des elektrischen Kabels, eine vergrößerte Eindringtiefe zu Bildgabe in dem Körper und eine erhöhte Empfindlichkeit des akustischen Elements. Die Impedanzanpassung ist besonders wichtig für kleine Wandlerelemente, wie sie sich in mehrzeiligen Wandlerarrays finden. Typische Wandlerelemente eines linearen Phased-Array sind in ihrer Gestalt rechteckig, d.h. sie sind in der Elevationsrichtung länger als in der Azimutalrichtung. Mehrzeilige akustische Wandler haben aber Elemente, die auch in der Elevationsrichtung unterteilt sind. Ein extremes Beispiel eines mehrzeiligen Wandlers ist ein zweidimensionales Array, bei dem die Elemente im Wesentlichen quadratisch sein können.
  • Ein Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, das die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Herstellen eines laminierten Gebildes, das zwei Teile aus Keramikmaterial mit einer dazwischen liegen den Metallelektrode aufweist; (b) Durchschneiden des laminierten Gebildes längs paralleler Ebenen rechtwinklig zu der Metallelektrode, um eine Mehrzahl laminierter Stücke mit jeweils einer Elektrode herzustellen; (c) Aneinanderheften der laminierten Stücke in einer Reihe zur Ausbildung eines zusammengefügten Stapels (Verbundstapels), in dem die Elektroden voneinander beabstandet und im Wesentlichen parallel zueinander sind; und (d) Aufbringen einer Schicht dielektrischen Materials auf eine Oberfläche auf einer Seite des zusammengefügten Stapels, an der die Ränder der Elektroden freiliegen.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, das die folgenden Schritte beinhaltet: (a) Herstellen eines laminierten Gebildes, das zwei Platten aus Keramikmaterial mit einer dazwischenliegenden Metallelektrode aufweist; (b) Durchschneiden des laminierten Gebildes längs paralleler Ebenen rechtwinklig zu der Elektrode, um eine Mehrzahl laminierter Streifen herzustellen, von denen jeder laminierte Streifen vier Seiten aufweist, die ein im Wesentlichen rechteckiges Profil bilden und zwei Keramikstücke enthält, die jeweils durch eine Elektrode voneinander getrennt sind; und (c) Aufbringen einer Schicht dielektrischen Materials bei jedem laminierten Streifen auf die Oberfläche einer ersten Seite, an der die Ränder der Elektroden freiliegen, wobei die dielektrische Schicht den jeweils freiliegenden Rand abdeckt, und Aufbringen von Metall auf die Oberfläche der sich an die erste Seite anschließenden zweiten und dritten Seite und auf mehrere Abschnitte der dielektrischen Schicht, wobei jeder metallisierte Abschnitt der dielektrischen Schicht mit der metallisierten Oberfläche der zweiten und der dritten Seite elektrisch in Verbindung steht.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Vorläufer für ein Ultraschall-Transducer-Array, der aufweist: Eine Anzahl im Wesentlichen gleicher rechteckiger Streifen, die an ihren Seiten so aneinander geheftet (bonded) sind, dass sie eine Reihe miteinander verbundener Streifen bilden, wobei jeder Streifen zwei keramische Teile im Wesentlichen gleicher Dicke aufweist, die durch eine Metallelektrode voneinander getrennt sind, eine Schicht dielektrischen Materials auf der Oberfläche einer ersten Seite, an der der Rand der Elektrode freiliegt, wobei die dielektrische Schicht den freiliegenden Rand abdeckt, Schichten aus Metall auf der sich an die erste Seite anschließenden zweiten und dritten Seite und auf mehreren Abschnitten der dielektrischen Schicht, wobei jeder metallisierte Abschnitt der dielektrischen Schicht mit der metallisierten Oberfläche der zweiten und dritten Seite elektrisch in Verbindung steht und eine Schicht Abstandsmaterial auf der Oberfläche einer der ersten Seite gegenüberliegenden vierten Fläche, wobei die Abstandsmaterialschicht jedes Streifens der dielektrischen Schicht eines benachbarten Streifens gegenüberliegt und die Elektroden aller Streifen im Wesentlichen koplanar sind.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Ultraschallwandler-Array, das eine Reihe laminierter Wandlerelemente aufweist, die akustisch voneinander isoliert sind und von denen jedes laminierte Wandlerelement aufweist: eine Ober- und eine Unterschicht (Deck- und Bodenschicht) aus keramischem Material von im Wesentlichen gleicher Dicke, die durch eine Metall-elektrode voneinander getrennt sind, die sich längs einer horizontalen Ebene erstreckt; eine Schicht dielektrisches Material, die auf einer Seite aufgebracht ist, an der der Rand der Elektrode frei liegt, wobei die dielektrische Schicht den freiliegenden Rand auf dieser Seite überdeckt und sich längs einer Vertikalebene erstreckt; eine zweite Schicht aus Metall, die auf einer hori zontalen Vorderseite der Oberschicht des keramischem Materials aufgebracht ist; eine dritte Schicht aus Metall, die auf einer horizontalen Hinterseite der Unterschicht des keramischen Materials aufgebracht ist und eine vierte Schicht aus Metall, die auf der dielektrischen Schicht aufgebracht und so gemustert ist, dass sie einen elektrischen Anschluss bildet, der in elektrischem Kontakt mit der zweiten und der dritten Metallschicht steht, derart, dass eine von den Keramikschichten elektrisch isolierte Wrap-Around-Elektrode ausgebildet ist und die dazwischenliegende Elektrode durch die dielektrische Schicht ausgebildet ist.
  • Weitere Aspekte der Erfindung sind im Nachfolgenden beschrieben und beansprucht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die 1 bis 9 veranschaulichen verschiedene Stufen eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Im Folgenden wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen tragen.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen, keramischen, akustischen Stapels (Blocks), der aus einer geraden Zahl keramischer Schichten besteht. Zum Zwecke der Veranschaulichung wird ein Verfahren zur Herstellung eines zweischichtigen, keramischen, akustischen Stapels im Detail beschreiben. Zweischicht-Stapel können ihrerseits wieder gestapelt werden, um Mehrschicht-Stapel zu erzeugen, die vier oder mehr Keramikschichten aufweisen. Das beschriebene Verfahren dient zur Herstellung akustischer Elemente in sowohl linearen als auch in mehrreihigen akustischen Arrays, wie auch von kleinen Elementen für zweidimensionale akustische Arrays. Solche akustischen Arrays können für medizinische Bildgebungsanwendungen eingesetzt werden.
  • Bei dem im Nachfolgendem im Detail beschriebenen Verfahren zur Herstellung zweischichtiger, piezoelektrischer, akustischer Wandler ist die strukturelle Unversehrtheit des piezoelektrischen Elements durch die Entfernung eines Teiles des Elements nicht geschwächt. Das Verfahren beruht auf der Laminierung zweier piezoelektrischer Keramikschichten mit einander gegenüberliegenden metallisierten Oberflächen. Wahlweise kann ein dünner elektrischer Leiter zwischen den metallisierten Oberflächen, d.h. in der Mitte sandwichartig angeordnet sein. Die Keramikschichten können in Gestalt von Streifen aus Keramik oder vorzugsweise in Gestalt von Blättchen oder Platten aus Keramik vorliegen. In dem letztgenannten Fall wird das Material im Anschluss an die Auflaminierung auf ein in der Mitte angeordnetes elektrisch leitendes Material in Streifen zertrennt und so gedreht, dass das mittige elektrisch leitende Material frei liegt. Die Streifen werden um 90° in eine Lage gedreht, in der das mittige elektrisch leitende Material bezüglich einer Oberfläche in einer vertikalen Stellung steht. In diese Stellung werden die Streifen zusammen laminiert. Die fluchtenden Oberflächen auf einer Seite des Laminats werden sodann mit einem dielektrischen Material überzogen, um das mittige elektrisch leitende Material gegen eine anschließende Elektrode elektrisch zu isolieren. Dielektrische Materialien können aus gebräuchlichen elektrischen Isolierstoffen, einschließlich aber nicht beschränkt auf Parylen, Polyimid, Polyamiddeimid, Polyurethan und andere Materialien ausgewählt werden und können durch Streichen, Tauchen, Laminieren oder Aufdampfen aufgebracht werden (Parylene ist die Handelsbezeichnung für Polymere, die zu der chemischen Familie der Poly-Paraxylylene gehören). Bei einer Konstruktion wurde ein Kapton®-HN Polyimidfilm mit einer Dicke von 8 Mikron und einer mittleren dielektrischen Durchschlagsfestigkeit von > 200 V/Mikron auf das Keramik auflaminiert. Bei einer anderen Konstruktion wurde eine 7 Mikron dicke Schicht von Parylen N mit einer mittleren dielektrischen Durchschlagsfestigkeit von größer 300 V/Mikron auf die Keramik aufgedampft. Bei einer weiteren Konstruktion wurde eine 7 Mikron dicke Schicht von Parylen-C mit einer mittleren dielektrischen Durchbruchsfestigkeit von größer 300 V/Mikron auf die Keramik aufgedampft. Diese Muster hatten die niedrigsten Fehlerraten.
  • Anschließend an die Aufbringung des dielektrischen Materials wird eine Metallschicht auf die freiliegende Oberfläche des dielektrischen Materials aufgebracht. Das Metall kann entweder durchgehend oder in Musterform vorliegen und durch irgendein zweckensprechend gewähltes Verfahren, einschließlich aber nicht beschränkt auf Vakuumzerstäubung oder stromlose Plattierung, aufgebracht werden. Das Metall kann auch etwa als metallisierter Kapton® Polyimidfilm vor der Anbringung an den Keramikstreifen auf das dielektrische Material vorab aufgebracht werden. Die Oberfläche des metallbeschichteten dielektrischen Materials wird dann so zugeschnitten, dass sie den Seiten der Streifen aus Keramik mit laminiertem, innenliegendem, elektrisch leitendem Material entspricht, worauf die Streifen um 90° wieder in ihre Ausgangslage zurückgedreht werden. In dieser Stufe besteht jeder Streifen aus zwei Keramikschichten mit einem in der Mitte zwischen den Keramikstücken angeordneten elektrischen Leiter und einem dielektrischem Isoliermaterial, das längs einer Seite des Keramiklaminats in einer zu dem mittigen elektrisch leitendem Material rechtwinkligen Ausrichtung auf dessen Außenseite als Metallbeschichtung aufgebracht ist.
  • Eine Reihe dieser Streifen können dann miteinander kombiniert werden, entweder dauerhaft, unter Verwendung einer Laminierung mit einem Epoxidharz oder lediglich zeitweilig unter Verwendung eines Materials wie Waverwachs oder aber die Streifen können auch einzeln gehalten werden. Die obere und die untere Außenoberfläche der Streifen wird dann mit einem elektrischen Leiter beschichtet, etwa in Form eines Metalls, dass durch Vakuumzerstäuben oder mit einem anderen Verfahren aufgebracht wird. Das aufgebrachte Metall steht auch mit der (bereits früher aufgebrachten) Metallschicht längs der freiliegenden langen Ränder jeder dielektrischen Isolationsschicht in Kontakt, so dass sich ein elektrischer Kurzschluss von der oberen Oberfläche einer Keramiktafel zu der unteren Oberfläche der zweiten Keramiktafel ergibt. Das mittige elektrisch leitende Material bleibt aber durch die dielektrische Isolationsschicht gegen diesen elektrischen Pfad elektrisch isoliert.
  • Die sich ergebenden Materialstreifen können als zweischichtiges akustisches Mehrschicht-Keramikmaterial in einer Ultraschallbildgebungsvorrichtung verwendet werden. Sie können auch für ein mehrreihiges Bildgebungsarray in eine Anzahl kleinerer Elemente unterteilt oder zertrennt werden oder in Mehrfachelemente für ein zweidimensionales akustisches Bildgebungs-Array, indem die Keramikreihen jeweils nur teilweise eingeschnitten wird, wodurch Elemente ausgebildet werden, ohne dass das mittige elektrisch leitende Material zertrennt oder durchgeschnitten wurde. Der akustische Wandler wird so zusammengesetzt, dass er so arbeitet, dass die metallisierten Außenoberflächen beider Keramikschichten als die Signalelektrode wirken während das mittige elektrisch leitende Material, das zwischen diesen Keramikschichten liegt, als Masseelektrode dient. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Keramikschichten für die Signalelektrode besteht aus der an der Seite des Wandlerelements angeordneten Metallschicht, wobei die Signalelektrode von der Masseelektrode durch die Schicht dielektrischen Materials elektrisch isoliert ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann das Ausgangskeramikmaterial in den Bereichen, in denen sodann der Trennschritt zur Ausbildung diskreter akustischer Elemente erfolgt angerissen werden, wodurch die Gefahr des Einschneidens in das mittige elektrisch leitende Material verringert wird.
  • Eine Ausführungsform des Verfahrens wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Bezugnehmend auf 1 besteht der erste Schritt darin, eine Struktur zusammenzufügen, die aus zwei piezoelektrischen Keramiktafeln 2, 4 besteht, von denen jede wenigstens eine metallisierte Seite hat, wobei eine dünne elektrisch leitende Folie 6 zwischen die einander gegenüberliegenden metallisierten Seiten eingelegt ist. Die leitende Folie 6 dient als Mittel (Masse)-Elektrode für die akustischen Elemente und muss sowohl elektrisch leitend als auch so dünn sein, dass sie keine akustische Reflexion hervorruft. Die Gesamtdicke der Metallfolie sollte weniger als 10 Mikron und mehr als 0,5 Mikron sein, wobei eine Dicke von 1 bis 5 Mikron für diese Elektrode bevorzugt ist. Bei einer beispielhaften Konstruktion wurde eine 2 Mikron dicke Goldfolie verwendet. Anstelle der dünnen Metallfolie kann auch ein Metallnetz- oder Maschenwerk verwendet werden. Bei einer anderen Ausführungsform können die Oberflächen der Keramik als Ersatz für die Metallfolie unmittelbar mit einer entsprechend dicken Metalldicke beschichtet sein.
  • Nachdem dieses Gebilde zusammengefügt (bonded) ist wird es in Streifen oder Stangen zertrennt, wobei jede Streifen um 90° gedreht wird, so dass seine mittige (Masse) Elektrode auf der Oberseite frei liegt und dann, wie in 2 dargestellt, zusammengefügt. Die jeweiligen Lagen des Verbindungsmaterials sind mit dem Bezugszeichen 8 in 2 bezeichnet.
  • Bei dem nächsten (in 3) dargestellten Herstellungsschritt wird eine Schicht 10 aus dielektrischem Material auf die (eine Seitenfläche jedes gedrehten Streifens enthaltende) obere Oberfläche der Verbundstruktur aufgebracht, um die freiliegende Mittelelektrode elektrisch zu isolieren. Sodann wird eine Metallschicht auf der Oberseite der Schicht 10 aus dielektrischem Material abgelagert und so gemustert, dass Linien oder Spuren 12 auf der Oberseite der Verbundstruktur erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform wird bei dieser Stufe eine einseitige flexible gedruckte Schaltung an die Keramik so angefügt, dass das dielektrische Material der flexiblen Schaltung die Ränder der Abschnitte der mittigen Metallfolie überdeckt und die Leiterbahnen auf der flexiblen Schaltung auf der Außenfläche frei liegen.
  • Als Nächstes wird eine Schicht 14 eines Abstandsmaterials auf die untere Oberfläche der Verbundstruktur aufgebracht wie dies in 4 dargestellt ist. Das Abstandsmaterial kann ggfs. auf eine solche Dicke abgeschliffen sein, dass sich das jeweils gewünschte Rastermaß des Wandler-Arrays ergibt. Die Schichten aus Abstandsmaterial und dielektrischem Material sind zueinander parallel und können auf gegenüberliegenden Oberflächen der Verbundstruktur liegen. Das Abstandsmaterial muss, wenn es nicht bei dem fertigen Array entfernt wird, ein Material sein, dass kein akustisches Übersprechen zwischen benachbarten Wandlerelementen hervorruft. Ein solches Material ist Epoxidharz ge füllt mit Glaskügelchen. Wenn aber das Abstandsmaterial doch unzulässiges akustisches Übersprechen hervorruft, muss das Abstandsmaterial, bspw. durch Abschneiden, entfernt werden.
  • Alternativ kann das Abstandsmaterial Glykolphthalat sein, das oft als Wafer-Bonding Material verwendet wird. Glykolphthalat kann bis zum Verflüssigungspunkt erwärmt oder in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst werden, wodurch die Entfernung des Abstandsmaterials in einer späteren Stufe erleichtert wird.
  • Das Verbundwerkstück wird sodann längs paralleler Ebenen, dort, wo die Schichten des Verbindungsmaterials liegen, zerschnitten oder zertrennt. Die sich ergebenden einzelnen Streifen weisen nun jeder eine mit dielektrischem Material (mit Metallleiterbahnen darauf) bedeckte Seite auf, während die gegenüberliegende Seite mit dem Abstandsmaterial bedeckt ist. Die Streifen werden wieder um 90° in ihre Ausgangslage zurückgedreht und dann, wie in 5 veranschaulicht, zusammengebondet. Dies ergibt einen Aufbau, bei dem die mittlere Masseelektrode 6 horizontal und rechtwinklig zu den jeweiligen Metallbeschichtungen 12 liegt, die jede der Schichten 10 aus dielektrischem Material bedecken. Die einzelnen Streifen sind jeweils durch Schichten 14 aus Abstandsmaterial voneinander getrennt.
  • In der nächsten Stufe werden die freiliegenden Oberflächen der Keramikschichten auf der Ober- und der Unterseite der Streifen metallisiert (d.h. mit Metall überzogen), um einen elektrischen Kontakt zu der Keramik herzustellen. Diese Metallüberzüge sind in 6 jeweils mit 16 bzw. 18 bezeichnet. Die Seite jedes Keramikstreifens weist eine gemusterte (bezogen auf 6) vertikale Metallschicht 12 auf, die die Metallüberzüge auf der Ober- und der Unterseite jedes Streifens elektrisch miteinander kurzschließt. Gleich zeitig isoliert die Schicht 10 aus dielektrischem Material bei jedem Streifen einen Rand der mittigen Metallschicht 6 von den vertikalen Metallschichten 12.
  • Dies ergibt ein keramisches Mehrschichtgebilde, bei dem die beiden Keramikplatten elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, während sie akustisch in Reihe zueinander liegen. Diese keramische Mehrschichtstruktur kann als Ersatz für ein massives Keramikgebilde in einem akustischen Wandler benutzt worden, in dem das Signal an eine Oberflächenelektrode des keramischen Gebildes angelegt wird und die Masse mit der Mittelelektrode verbunden ist.
  • Wenn der Wandler ein mehrreihiges oder zweidimensionales akustisches Array sein soll, wird die Mehrschichtkeramik von einer Richtung aus teilweise so durchtrennt (gesägt), dass eine Schicht aus Keramik in diskrete Elemente aufgeteilt, aber die mittige Metallschicht oder Masseelektrode, wie in 6 veranschaulicht, nicht zertrennt oder angeschnitten wird. Dieser Trennvorgang erzeugt voneinander beabstandete und zueinander parallele Kerben 20.
  • Bei der nächsten Herstellungsstufe wird das Werkstück in die Lage nach 7 umgewendet, d.h. um 180° gedreht. Das teilweise zertrennte Werkstück mit den Kerben 20 auf der Unterseite wird sodann auf ein gemustertes Array von elektrischen Signalleitern aufgesetzt. Ein Beispiel eines solchen Arrays elektrischer Leiter besteht aus einer Reihe voneinander beabstandeter und zueinander paralleler flexibler Schaltungen, die in einem Körper 24 (vgl. 8) akustischen Dämpfungsmaterials (d.h. Streuungs- und/oder Absorbermaterial) so eingebettet sind, dass die Enden von den auf die elektrischen Substrate 22 der flexiblen Schaltungen aufgedruckten Leiterbahnen 26 auf der Oberfläche des akustischen Dämpfungskörpers freiliegen, der der einge schnittenen Hälfte des Werkstücks gegenüber liegt. Der akustische Dämpfungskörper 24 kann an dem Werkstück unter Verwendung einer dünnen Schicht von Epoxidharz angeklebt sein, das im Wesentlichen akustisch transparent ist und einen elektrischen Kontakt zwischen den Leiterbahnen 26 und den gegenüberliegenden metallisierten Oberflächen des teilweise eingeschnittenen Werkstücks ermöglicht.
  • In dem sich ergebenden Laminat verlaufen die Kerben 20 rechtwinklig zu den flexiblen Schaltungen 22. In der nächsten Stufe wird das Array von Keramikstreifen in der gleichen Richtung und mit dem gleichen Rastermaß auf der anderen Seite des Werkstückes wieder auf eine Tiefe nahe bei, aber nicht durch die innenliegende (d.h. mittige) Metallschicht eingeschnitten. Dies lässt eine durchgehende mittige Metallelektrode zurück, die sich über die Länge jedes Streifens erstreckt.
  • Das Array wird schließlich durch das Abstandsmaterial in der Orthogonalrichtung, bezogen auf 9, vollständig durchgetrennt. Wie aus 9 zu entnehmen, können sich die Schnitte in das akustische Trägermaterial 24 erstrecken. Dieser letzte Zerteilvorgang bildet jeweils einen Luftspalt 20 zwischen jedem zweischichtigen Keramikstreifen, wodurch jeweils Säulen (von denen nur zwei dargestellt sind) eines mehrschichtigen Wandler-Arrays ausgebildet werden, in dem die Säulen durch die akustische Trägerschicht 24 zusammengehalten sind. Anschließend können akustische Anpassungsschichten und eine Linse auf die Vorderfläche des Wandler-Arrays in gebräuchlicher Weise aufgesetzt werden. Bei dem sich ergebenden mehrschichtigen Ultraschallwandler-Array laufen die die mehrschichtigen Keramikelemente treibenden Signale durch die akustische Trägerschicht 24, über Leiterbahnen 26 (die dielektrischen Substrate der in der akustischen Trägerschicht 24 eingebetteten flexiblen Schaltungen wurden zur klareren Veranschaulichung der elektrischen Verbindungen in 9 weggelassen), über die um die Außenseite der dielektrischen Schicht 10 herum gelegte metallisierte Schicht 12 zu der oberen und unteren Elektrode auf jedem mehrschichtigen Keramikelement. Die durchgehenden Masseelektroden 6 sind an einen Ende des Arrays an einem gemeinsamen Bus angeschlossen.
  • Das im Vorstehenden beschriebene Verfahren liefert eine Struktur, bei der mehrschichtige Keramikelemente über die Oberfläche einer dielektrischen Schicht eine gegenseitige Verbindung herstellen. Die dielektrische Schicht schützt sowohl die mittige Masseelektrode als auch die piezoelektrische Keramik gegen das elektrische Feld. Mehr im Einzelnen beschränkt die Schicht 10 aus Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante das elektrische Feld auf das Keramikmaterial 2, 4 mit hoher Dielektrizitätskonstante wo es vertikal ausgerichtet bleibt. Auf diese Weise finden sich die bei einer zwischen der Signal- und der Masseelektrode angelegten Spannung piezoelektrisch induzierten Verformungsspannungen fast vollständig vertikal neben dem Rand der Masseelektrode. Nebeneffekt-Zustände wie etwa Scherzustände, die sonst von dem Kontakt der Signalelektrode mit den Seiten der Keramikelemente herrühren, sind deshalb wesentlich reduziert.
  • Eine Abwandlung des vorstehend geschilderten Verfahrens besteht darin, ein oder beide Keramikstücke vorher zu trennen, um den Raum des jeweiligen akustischen Elements zu bestimmen und damit die Notwendigkeit zu verringern bis nahe zu der mittigen Masseelektrode durchzutrennen.
  • Die oben beschriebene Struktur ist wesentlich einfacher herzustellen als dies bei bekannten Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Keramikstruktur der Fall ist. Das sich ergebende Mehrschicht-Keramikgebilde ist insbesondere bei akustischen Hochfrequenzwandlern oder mehrreihigen akustischen Wandlern, einschließlich zweidimensionalen Array-Wandlern von Vorteil, bei denen die kleine Kapazität des keramischen Akustikelements impedanzmäßig nur schlecht an den übrigen Teil des Ultraschallbildgebungssystems angepasst ist.
  • Zweischichtige Stapel (Blöcke) können ihrerseits wieder gestapelt werden, um Mehrschichtstapel zu erzeugen, die vier oder mehr Keramikschichten aufweisen. Ein Stapel von vier oder mehr Schichten kann hergestellt werden, vorausgesetzt, dass die mittleren Masseelektroden der Stapel ihrerseits miteinander verbunden sind. Dies kann bspw. an den Enden der Elementenreihen geschehen. Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, so versteht sich doch, dass zahlreiche Änderungen vorgenommen und Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Abwandlungen zur Anpassung der Lehre der Erfindung an eine spezielle Situation vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist deshalb durch die spezielle, als gegenwärtig beste Ausführungsform zur Ausführung der Erfindung geoffenbarte Ausführungsform nicht beschränkt, sondern die Erfindung umfasst alle Ausführungsformen, die in dem Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, das folgende Schritte aufweist: – Herstellen einer laminierten Struktur, die zwei Teile (2,4) aus Keramikmaterial mit einer dazwischenliegenden Metallelektrode (6) aufweist; – Durchschneiden der laminierten Struktur längs paralleler Ebenen rechtwinklig zu der Elektrode, um eine Anzahl laminierter Stücke jeweils mit einer Elektrode auszubilden; – Verbinden (8) der laminierten Stücke in einer Reihe zur Ausbildung eines Verbundstapels, in dem die Elektroden voneinander beabstandet und im Wesentlichen zueinander parallel sind; und – Aufbringen einer Schicht aus dielektrischem Material auf einer Oberfläche auf einer Seite des Verbundstapels, auf der die Ränder der Elektroden freiliegen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Herstellungsschritt die Metallisierung einer Oberfläche jedes Keramikstücks beinhaltet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Herstellungsschritt außerdem folgende Schritte beinhaltet: – Auflegen der Keramikstücke auf gegenüberliegende Seiten einer Metallfolie, wobei die metallisierten Schichten in Kontakt mit der Metallfolie stehen; und – Zusammenlaminieren der metallisierten Keramikstücke und des Metalls zur Ausbildung der laminierten Struktur.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem den Schritt des Überziehens einer Oberfläche der Schicht aus dielektrischem Material mit einem gemusterten Metall beinhaltet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, das außerdem die folgenden Schritte beinhaltet: – Durchschneiden des Verbundstapels jeweils längs Ebenen, dort, wo die laminierten Stücke miteinander verbunden sind und dadurch Ausbilden einer Mehrzahl abgewandelter laminierter Stücke, von denen jedes laminierte Stück eine Schicht aus dielektrischem Material auf einer Seite und eine Schicht aus Abstandsmaterial auf einer anderen Seite trägt; und – Anordnen der modifizierten laminierten Stücke in einem Array, derart, dass die Schicht aus Abstandsmaterial bei jedem modifizierten laminierten Stück der Schicht aus dielektrischem Material eines benachbarten, modifizierten, laminierten Stückes gegenüberliegt und die Elektroden im Wesentlichen koplanar sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, das außerdem den Schritt der Metallisierung von Oberflächen des Array modifizierter laminierter Stücke aufweist, die im Wesentlichen parallel zu den koplanaren Elektroden sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem jedes der modifi zierten laminierten Stücke ein parallel zu einer Längsachse ausgerichteter Streifen ist und das außerdem den Schritt des Einschneidens der Teile des Array modifizierter, laminierter Stücke beinhaltet, die auf einer Seite der durch die koplanaren Elektroden definierten Ebene liegen, wobei jeder Schnitt in seiner jeweiligen Ebene im Wesentlichen rechtwinklig zu der Längsachse erfolgt und der Schneideschritt vor oder nach dem Metallisierungsschritt durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, das außerdem die Schritte des Aufsetzens der geschnittenen Teile des Array aus modifizierten laminierten Stücken auf ein gemustertes Array elektrisches Signalleiter (26) und des Verbinden des erstgenannten mit dem zweitgenannten beinhaltet, wobei Abschnitte einer gegenüberliegenden metallisierten Oberfläche des Arrays der modifizierten laminierten Stücke in elektrischem Kontakt mit den jeweiligen elektrischen Signalleitern liegen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, das außerdem den Schritt des Einschneidens der Teile der modifizierten laminierten Stücke aufweist, die auf der anderen Seite der durch die koplanaren Abschnitte der mittigen Metallschicht definierten Ebene liegen, wobei jeder Schnitt im Wesentlichen koplanar mit einem jeweiligen Schnitt auf der anderen Seite ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, das außerdem den Schritt des Einbettens des gemusterten Array elektrischer Signalleiter (26) in einem Körper (24) aus akustisch dämpfendem Material mit auf einer Oberfläche des Körpers freiliegenden Enden der elektrischen Signalleiter beinhaltet, wobei der Schritt des Verbindens der Array modifizierter laminierter Stücke mit dem gemusterten Array elektrischer Signalverbindungen das Verbinden des Array modifizierter, laminierter Stücke mit dem Körper beinhaltet.
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